专利名称：一种纳米阵列的图案化制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米阵列的图案化制备方法，属于纳米材料的图案化生长技术。
背景技术：
冷阴极场发射材料在军事及国民生活中都有广泛的潜在应用价值，例如可用于太空用质 谱、离子发动机、加速器、并行电子束刻蚀、X-ray成像、固态光源、真空微电子器件等领域。 近年来相关研究主要集中于冷阴极场发射材料在场发射平板显示器中的应用(N. S. Xu, S. E. Huq， Mater. Sci. Eng. R 2005， 48， 47)。冷阴极场发射材料的发展经历了三个时代由于在锥状 材料上施加电压后，其尖端会产生很强的电场，容易诱发电子发射，20世纪60年代后期以 Spindt锥型材料(钼和硅的尖锥)为代表的冷阴极场发射材料出现，但由于钼和硅具有大的 表面功函，且Spindt型钼/硅锥的合成路线复杂且昂贵，使这些材料很难付诸实际应用；随后， 由于具有低(甚至负)的电子亲和势、高的化学稳定性和热传导性，金刚石/类金刚石薄膜材 料成为第二代冷阴极场发射材料，然而由于薄膜的均匀度难以控制，且电子发射方向的杂乱 无章特点使其不利于后续器件的组装(N. S. Xu， R.V. Latham, Y. Tzeng, Electron. Lett. 1993， 29, 1596)，也逐渐淡出人们的视线；近年来以碳纳米管为代表的一维纳米材料的场发射性能研究 引起了科学家的广泛兴趣， 一维纳米材料具有大的长径比和纳米级尖端，可以有效提高材料 的场增强因子，改善其场发射性能。选择具有低的表面功函或电子亲和势、高稳定性及优异 热传导性的材料也是优化场发射性能的重要途径。
A1N具有低的(甚至负的)电子亲和势、高的稳定性及优良的热导性能(C.I.Wu，et.al., Appl. Phys. Lett. 1998, 73， 1346 ; M. C. Benjamin, et. al" Appl. Phys. Lett. 1994, 64, 3288; S. P. Grabowshi, et. al.， Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 2503; S. W. Thomas, Doctoral dissertation (Harvard University, 1999))，是一种重要的纳米冷阴极的候选材料。近年来各种形貌的A1N —维纳米材 料已被相继合成，包括纳米管(Q. Wu, et. al., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10176; V. N. Tondare， et. al" Appl. Phys. Lett. 2002, 80， 4813; L. W. Yin, et. al" Adv. Mater. 2004, 16， 929)、纳米线(Q. Wu， et. al" J. Mater. Chem. 2003, 13， 2024; J. Yang, et. al" Nanotechnology 2006， 17， S321;H. Wang， et al.， J. Phys. Chem. C. 2007, 111, 17169)、纳米带(Q. Wu, et. al" J. Phys. Chem. B 2003, 107, 9726; T. Xie， et. al., Inorg. Chem. Commun. 2004， 7， 545; Y, B. Tang， et. al" Di咖.Relat. Mater. 2007, 16, 537)、纳米锥(C. Liu, et. al" J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1318; S. C. Shi, et. al" Appl. Phys. Lett. 2005， 87, 073109; Q. Zhao, et. al.， Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 5331; Y. B. Tang, et. al" Appl. Phys. Lett. 2005， 86, 233104; Z. Chen, et. al" J. Phys. Chem. C 2007， 111， 1895)等。在这 些纳米材料中，A1N纳米锥具有锐利的尖端，大的长径比及较好的定向性，因此具有很好的 场发射性能。为了进一歩优化A1N纳米锥的场发射性能，有两种方式值得尝试， 一种就是通 过掺杂其它元素(例如硅)(Y.B.Tang，et.al., Appl. Phys. Lett. 2006， 89, 253112)来提高载流 子浓度；另一种方法就是降低纳米锥的密度以降低屏蔽效应。Nilsson等人通过实验和理论的 计算得出场发射头的密度增加时，屏蔽效应增强进而场增强因子及发射电流降低，当两个一维纳米发射头之间的距离是其高度的2倍时，单位面积的场发射电流最大(L. Nilsson, et. al., Appl.Phys. Lett. 2000， 76, 2071)。因此，A1N纳米锥的密度对其场发射性能的优化非常重要。 目前文献中关于A1N的图案化生长还鲜有报道(G R. Yazdi, et al., Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 123103)，且难以控制其尺寸和形状。因此发展一种A1N纳米锥的图案化生长方法，不仅可以 有效地控制A1N纳米锥的密度，还能研究其对场发射性能的影响。与没有图案化的A1N纳米 锥相比，图案化的A1N纳米锥具有更好的场发射性质，即更小的开启电压、更大的发射电 流，有利于其在场发射平板显示器中应用。
目前纳米材料图案化生长的研究主要集中在ZnO体系，主要包括以下几种图案化生长的 技术路线a)引入基团使基片表面改性(Y.Masuda,et.al.， Crystal Growth Design 2006, 6， 75; Julia W. P. Hsu, et. al., Nano Lett. 2005， 5, 83; C. H.g Wang, et. al.， Langmuir 2007， 23' 11960); b)通过光刻技术使基片表面改性，采用电子束刻蚀技术(B. Weintraub, et. al., J. Phys. Chem. C 2007,111,10162)进行图案化处理；c)是采用光掩膜，借助紫外光照射(Y. Masuda， et. al., Crystal Growth Design 2006， 6， 75)或是原子力显微镜的腐蚀(J. H. He, et al.， J. Phys. Chem. B 2006, 110, 50)得到各种图案化的基片；d)采用磁控溅射技术(X. D. Yan, et. al., Crystal Growth Design 2008, 8, 2406); e)控制催化剂位置，所得产品在有催化剂的地方选择性生长得到图案 化分布(C. H. Liang， et. al.， Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 22)，上述几种方法适用于对基片的化学性 质(亲、疏水性)有特殊要求或是需要催化剂辅助生长的材料。这些方法工艺复杂，实验条 件苛刻，而且对基片要求低、不需要催化剂辅助生长的纳米材料不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米阵列的图案化制备方法，简单易行，且不需要催化剂的 辅助。
所述纳米阵列的图案化制备方法，是在以金属网为掩模的基片上沉积纳米阵列材料。上 述方法可以用于各种纳米材料的图案化生长，根据反应条件(温度、气氛等)和实验要求选 择合适的掩膜材料及规格，在各种基片上沉积合成纳米阵列材料。
选择掩模材料时，应注意作为掩模的金属网应在反应条件下不能发生分解、升华或熔化 等现象，优选的情况是，纳米阵列材料只沉积于网格中，而在金属网上不会沉积，或者沉积 很少，此时有利于沉积完成后将掩模从基片上剥离时不会影响纳米阵列的形态。
所述沉积方法可以是公知的各种方法，如化学气相沉积、脉冲激光沉积等。
作为优选方案，所述纳米材料为AIN纳米材料，所述金属网为Mo网、Cu网或W网。 所述沉积方法优选为化学气相沉积法。可以AlCl3为前驱物，以NH3作为氮源，在基片上沉 积A1N纳米阵列；也可以A1粉为铝源，以NH3/N2混合气体作为氮源，在基片上沉积A1N纳 米阵列。对于在含NH3气的气氛中进行的气相沉积，反应温度不大于800°C时，金属网用 Mo、 Cu或W网；反应温度大于800°C时，金属网为Mo或W网，这样在化学沉积时，AIN 在金属网上沉积得非常少，有利于沉积完成后将掩模从基片上剥离时不会影响纳米阵列的形 态。以A1C13为前驱物，以NH3作为氮源，在基片上沉积A1N纳米阵列材料的具体工艺条件 是AlCl3在120-180'C升华，在600-100(TC下与NH3反应，生成的A1N沉积在基片上得到图 案化分布的A1N纳米阵列。 一种典型的制备过程是，采用多段管式控温炉，在Ar气气氛下 进行化学气相沉积，将放有AIC13的石英管置于管式炉的低温区，放有基片的石英管置于沉 积区，在低温区加热使无水A1C13升华，在Ar气带动下传输到沉积区与NH3混合并反应，生 成的A1N沉积在基片上，反应结束后在Ar气的保护下冷却到室温，然后将Mo网剥离基片， 得到图案化的A1N纳米阵列。反应时间为1一10小时。反应时间的确定原则是只要得到纳米 阵列即可，时间长短与纳米材料的长度有关，反应时间越长，所得纳米材料的长度越长。
所述工艺条件可由本领域的普通技术人员通过简单实验加以确定。已知的，通过上述方 法制备的A1N纳米阵列的形貌可通过改变实验条件来调变。所述具体的实验条件也可由本领 域的普通技术人员通过简单实验加以确定。优选的条件是，AlCl3升华温度为120—145'C， 反应温度为600—800。C时，得到A1N纳米锥阵列；AlCl3升华温度为120—145。C，反应温度 为800—100(TC时，得到A1N纳米柱阵列；AlCl3升华温度为145 — 180。C，反应温度为650 一850'C时，得到A1N纳米花阵列。
可以通过各种公知的方式，将金属网固定到基片上，如粘结固定，比如，通过将Mo网 利用胶水紧紧贴到Si基片上。还可以通过改变金属网的网格尺寸及形状得到不同图案化的纳 米阵列。
在实验中我们采用150目的Mo网作为掩膜，相邻两个沉积区的距离是35pm，沉积区的 长度是185pm，说明AlN纳米锥形成的图案与Mo网的尺寸相一致。由于Mo网的存在，被Mo 网遮住的地方没有A1N的沉积，而Mo网的网格内就会有A1N的沉积。由于Mo网边缘部分的 原料浓度较小，在沉积单元边缘区域的A1N纳米锥密度明显小于中心区域的密度，且在边缘 区域可以观察到A1N纳米锥的密度从大到小的过渡。
A1N纳米材料的生长对基片的要求低，且不需要催化剂的辅助，在硅片、镍片、钽片、 黄铜片、钛片、ITO玻璃等基片上都可以得到形貌均一的纳米结构，因此现有的图案化生长 方法难以适用于A1N纳米材料的图案化生长。根据本发明制备的A1N纳米锥阵列的长度大约 在几百个纳米到几个微米，尖端的直径大约为10nm，底部的直径约为50-60nm，降低了纳米 阵列的密度，减小了屏蔽效应，提高了其场发射性能。实验结果表明，图案化的A1N纳米锥 的场发射性质有了明显提高，相对于未图案化的产品，其开启电场(开启电场是指产生 10pA/cr^所需要的电场)和阈值电场(阈值电场是指产生1 mA/cr^电流所需要的电场)都 明显降低；当外加电场为19.3V/iiim时，可得到发射电流密度为5.6mA/cm2，是未图案化A1N 纳米锥的IO倍左右。由于A1N纳米锥具有比较大的长径比，锐利的尖端及图案化的分布，有 利于其在场发射领域的应用。
与已有的通过基片表面改性、电子束刻蚀技术及磁控溅射等技术路线相比，本发明的优 势在于不需要化学物质对基片进行预处理，环境友好；不需要苛刻的实验条件，成本低；不 需要复杂的工艺，操作简单；原料易得，各种规格的网格都有商品化的产品；本方法还可以 用于大面积制备各种图案化分布的纳米阵列材料。
5本发明的特点如下
1. 本方法以一定规格的金属网作为掩膜附着在基片上，利用化学气相沉积的方法得到图案化
分布的A1N纳米阵列，降低了纳米阵列的密度，减小了屏蔽效应，提高了其场发射性能。
2. 本发明提供的制备图案化A1N纳米阵列的技术路线是采用简单的掩膜技术实现了图案化，
在制备过程中可以通过变换掩膜规格(尺寸、形貌、材料等)得到不同图案化的A1N纳 米阵列。
3. 本发明所制备的图案化的A1N纳米锥尺寸均一，长度从几百个纳米到几个微米，尖端直
径大约为10nm,底部直径为50-60 nm。由于具有大的长径比，锐利的尖端及图案化的 分布，可望用作平板显示器上的图案化像素。
4. 本发明所制备的图案化的A1N纳米锥的场发射性能有明显提高，开启电场降低，可以和
ZnO及B纳米线相比拟，在外加电场为19.3 V/pm时可得到的发射电流密度为5.6 mA/cm2，是未图案化A1N纳米锥场发射电流密度的IO倍左右。
5. 本发明还可以拓展到其他纳米材料的图案化生长。根据反应条件(温度、气氛等)和实验
要求选择合适的掩膜材料及规格，在各种基片上利用化学气相沉积的方法合成图案化的 纳米阵列材料。
6. 本发明所提供的制备工艺操作简单，成本低，适于大规模工业生产。
图l:本发明制备AIN纳米阵列的实验装置示意图-
(l)Ar气进气管；(2)NH3进气管；(3)刚玉炉管的低温段；(4)刚玉炉管的高温段；(5) 刚玉炉管的中温段；(6)无水AlCl3; (7)基片；(8)出气口； (9)安全瓶。
图2:实施例1所制备的图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片
图3:图2中白色方框部分的放大的SEM照片；
图4:图3中方框A所示沉积单元中心区域的SEM照片；
图5:图3中方框B所示沉积单元边缘区域的SEM照片；
图6:图3中方框C所示Mo网覆盖区域的SEM照片；
图7:图3中方框A所示沉积单元中心区域的高倍SEM照片；
图8:实施例1所制备的图案化A1N纳米锥阵列的X射线衍射(XRD)谱图9:实施例1所制备的图案化A1N纳米锥阵列的X射线能谱(EDS)谱图10:对照实施例1所制备的未图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片；
图11:实施例1制备的的图案化和对照实施例1制备的未图案化A1N纳米锥阵列的场发射性 质电流密度 电场的曲线(J-E曲线)；图12:与图11J-E曲线相对应的Fowler-Nordheim曲线，即ln(J/E2)-l/E曲线；
图13:实施例2所制备的图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片；
图14:实施例3所制备的图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片
图15:实施例3所制备的图案化A1N纳米锥阵列沉积单元中心区域的SEM照片；
图16:实施例3所制备的图案化A1N纳米锥阵列沉积单元边缘区域的SEM照片；
图17:实施例4所制备的图案化A1N纳米柱阵列沉积单元中心区域的SEM照片
图18:实施例4所制备的图案化A1N纳米柱阵列沉积单元边缘区域的SEM照片；
图19:实施例5所制备的图案化A1N纳米柱阵列的SEM照片；
图20:实施例6所制备的图案化A1N纳米花阵列沉积单元中心区域的SEM照片；
图21:实施例6所制备的图案化A1N纳米花阵列沉积单元边缘区域的SEM照片；
图22:实施例7所制备的图案化A1N纳米花阵列的SEM照片；
图23:实施例8所制备的图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片；
图24:实施例8所制备的图案化A1N纳米锥阵列沉积单元中心区域的SEM照片；
图25:实施例8所制备的图案化A1N纳米锥阵列沉积单元边缘区域的SEM照片；
图26:实施例9所制备的图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片；
图27:实施例10所制备的图案化A1N纳米锥阵列沉积单元中心区域的SEM照片；
图28:实施例10所制备的图案化A1N纳米锥阵列沉积单元边缘区域的SEM照片；
图29:实施例11所制备的图案化A1N纳米锥阵列的SEM照片。
具体实施例方式
实施例1以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜制得图案化的A1N纳米锥阵列。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉(如图1)的低温反应区，放有覆盖150目Mo网的 Si片的石英管置于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(lOOsccm) 的保护下，同时将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至13(TC、 650°C、 IIOO'C(升 温速率为10°C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， AlCl3升华 后在Ar气的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h， 在Ar气(lOOsccm)的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的A1N纳米锥阵列， 如图2-7所示。从XRD和EDS的结果表明，所得产物为六方相A1N (如图8、 9所示)。
对照实施例1以无水A1C13为前驱物制备未图案化的A1N纳米锥。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的Si基片的石英管 置于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(lOOsccm)的保护下，同时将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至130°C、 650°C、 1100'C(升温速率为 10°C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， AlCl3升华后在Ar气 的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应生成A1N。反应 持续4h,在Ar气(100sccm)的保护下自然冷却至室温，得到A1N纳米锥(如图10所示)。
实施例2以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜制得图案化的A1N纳米锥阵列。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖150目Mo网的Si片的石 英管置于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下， 同时将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至140°C、 780°C、 IIO(TC(升温速率为 10°C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， A1C13升华后在Ar气 的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应,生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar 气(100sccm)的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的A1N纳米锥阵列(如 图B所示)。
实施例3以A1粉为前驱物制备图案化的A1N纳米锥。
将Al放置于管式控温炉的高温反应区，放有覆盖Mo网的Si基片置于Al粉上方0.5-5cm， 反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下，将高温区反应室的温度 升至IIO(TC(升温速率为10°C/min)。然后通入NH3/N2 (200sccm)禾[I Ar气(300sccm)， Al 与NH3/N2反应生成A1N。反应持续4h,在Ar气(100sccm)的保护下自然冷却至室温，将 Mo网剥去得到图案化的A1N纳米材料，如图14-16所示。
实施例4以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜制得图案化的A1N纳米柱。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的Si基片的石英管 置于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下，同 时将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至120°C、 820°C、 IIO(TC(升温速率为 10°C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， AlCl3升华后在Ar气 的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应,生成的AIN沉积在基片上。反应持续4h，在Ar 气(lOOsccm)的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的AIN纳米柱阵列，如 图17、 18所示。
实施例5以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜制得图案化的AIN纳米柱。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的Si基片的石英管 置于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(lOOsccm)的保护下，同 时将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至140°C、 1000°C、 IIOO'C(升温速率为 10°C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， AlCl3升华后在Ar气 的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar 气(lOOsccm)的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的A1N纳米柱阵列，如图19所示。
实施例6以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜制得图案化的A1N纳米花。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的Si片的石英管置 于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下，同时 将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至150°C、 650°C、 110(TC(升温速率为 10'C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气G00sccm)， AlCl3升华后在Ar气 的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar 气(100sccm)的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的A1N纳米花阵列，如 图20、 21所示。
实施例7以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜制得图案化的AIN纳米花。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的Si片的石英管置 于中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下，同时 将低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至175°C、 850°C、 110(TC(升温速率为 10°C/min)。然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气G00sccm)， AlCl3升华后在Ar气 的带动下传输到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar 气(100sccm)的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的A1N纳米花阵列，如 图22所示。
实施例8以无水A1C13为前驱物及Cu网为掩膜制得图案化的A1N纳米锥。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Cu网的Si片的石英管置于 中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下，同时将 低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至13(TC、65(rC、110(TC(升温速率为10°C/min)。 然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， A1C13升华后在Ar气的带动下传输 到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar气(100sccm) 的保护下自然冷却至室温，将Cu网剥去得到图案化的A1N纳米锥阵列，如图23-25所示。
实施例9以无水A1C13为前驱物及Cu网为掩膜制得图案化的A1N纳米锥。 将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Cu网的Si片的石英管置于中 温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100sccm)的保护下，同时将低 温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至140°C、 780°C、 1100。C(升温速率为1(TC/min)。 然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， A1C13升华后在Ar气的带动下传输 到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar气(100sccm) 的保护下自然冷却至室温，将Cu网剥去得到图案化的AlN纳米锥阵列，如图26所示。实施例10以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜在钽片基底上制得图案化的A1N纳米锥。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的钽片的石英管置于 中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(lOOsccm)的保护下，同时将 低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至130'C、65(rC、1100。C(升温速率为10°C/min)。 然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， A1C13升华后在Ar气的带动下传输 到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar气(100sccm) 的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的A1N纳米锥阵列，如图27、 28所示。
实施例11以无水A1C13为前驱物及Mo网为掩膜在钽片基底上制得图案化的A1N纳米锥。
将无水AlCl3放置于三段管式控温炉的低温反应区，放有覆盖Mo网的钽片的石英管置于 中温的沉积区，反复充氩气和用机械泵抽空2-3次，在Ar气(100scctn)的保护下，同时将 低温区、中温区及高温区反应室的温度分别升至14(TC、78(TC、110(TC(升温速率为10°C/min)。 然后分别、同时通入NH3 (20sccm)和Ar气(300sccm)， A1C13升华后在Ar气的带动下传输 到沉积区与NH3混合并反应，生成的A1N沉积在基片上。反应持续4h，在Ar气(100sccm) 的保护下自然冷却至室温，将Mo网剥去得到图案化的AlN纳米锥阵列，如图29所示。
在高真空下，用平行板模式测定实施例1和对照实施例1所得纳米锥阵列的场发射性能。 具体步骤为生长有A1N的基片通过导电银浆粘到不锈钢片(直径为2cm)上，作为阴极； 另一片不锈钢片(直径为2cm)作为阳极。两电极板平行，两电极间距D可准确控制。当测 试腔的真空度低于1 X 10—4Pa时，调节两电极间距D为100或150pm，然后在两电极间施加 电压并逐渐增大，测量该电场下的发射电流，最终得到电流密度 电场之间的关系曲线，比 较场发射性质中开启电压(Et。)、阈值电压(Efc)及场增强因子(p)，结果见图ll、 12和表1。 结果表明，与未图案化的A1N纳米锥阵列相比(如图10)，图案化A1N纳米锥阵列的场发射 性质有了明显提高。
表1
D实施例1对照实施例1(Hm)EtoEthrPEtoGthrP
1007.713.1977 / 55215.229.5436
1507.111.9930/61414.425.6430
10
权利要求
1.一种纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于在以金属网为掩模的基片上沉积纳米材料的阵列。
2. 如权利要求1所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于所述纳米材料为A1N纳米 材料，所述金属网为Mo网、Cu网或W网。
3. 如权利要求2所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于所述沉积方法为化学气相 沉积法。
4. 如权利要求3所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于以A1C13为前驱物，以NH3 作为氮源，在基片上沉积A1N纳米材料。
5. 如权利要求4所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于AlCl3在120-180'C升华， 在600-1000。C下与NH3反应，生成的A1N沉积在基片上，得到图案化分布的A1N纳米阵 列材料。
6. 如权利要求5所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于采用多段管式控温炉，在 Ar气气氛下进行化学气相沉积，将放有A1C13的石英管置于管式炉的低温区，放有基片 的石英管置于沉积区，在低温区加热使无水AlCl3升华，在Ar气带动下传输到沉积区与 NH3混合并反应,生成的A1N沉积在基片上，反应结束后在Ar气的保护下冷却到室温， 然后将金属网剥离基片，得到图案化A1N纳米阵列。
7. 如权利要求5所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于反应时间为1一10小时。
8. 如权利要求5-7中任一项所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于A1C13升华温度 为120—145。C，反应温度为600—800。C时，得到A1N纳米锥阵列。
9. 如权利要求5-7中任一项所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于A1C13升华温度 为120—145。C,反应温度为800 — 1000。C时，得到A1N纳米柱阵列。
10. 如权利要求5-7中任一项所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于AlCl3升华温度 为145 —180°C,反应温度为650-850'C时，得到AIN纳米花阵列。
11. 如权利要求3所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于以Al粉为铝源，以NH3/N2 混合气体作为氮源，在基片上沉积A1N纳米阵列材料。
12. 如权利要求5或11所述的纳米阵列的图案化制备方法，其特征在于反应温度不大于800。C 时，金属网用Mo、 Cu或W网；反应温度大于800°C时，金属网为Mo或W网。
全文摘要
本发明涉及一种纳米阵列的图案化制备方法，简单易行，且不需要催化剂的辅助。所述纳米阵列的图案化制备方法，是在以金属网为掩模的基片上沉积纳米阵列材料。上述方法可以用于各种纳米材料的图案化生长，根据反应条件(温度、气氛等)和实验要求选择合适的掩膜材料及规格，在各种基片上沉积合成纳米阵列材料。与已有的通过基片表面改性、电子束刻蚀技术及磁控溅射等技术路线相比，本发明的优势在于不需要化学物质对基片进行预处理，环境友好；不需要苛刻的实验条件，成本低；不需要复杂的工艺，操作简单；原料易得，各种规格的网格都有商品化的产品；本方法还可以用于大面积制备各种图案化分布的纳米阵列材料。
文档编号C23C16/34GK101580224SQ200910032859
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月1日 优先权日2009年6月1日
发明者宁 刘, 强 吴, 王喜章, 征 胡 申请人:南京大学