专利名称：具有非线性电学特性的Au/Ge分形纳米薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及到一种制备技术简单、形貌可控、重复性良好具有非线性电学特性的 Au/Ge分形纳米薄膜的制备方法，属于半导体薄膜制备工艺技术领域。
背景技术：
金属诱导非晶半导体的晶化过程是半导体信息技术领域广泛研究的热点课题，尤其在微电子器件、光电子元件以及太阳能电池等方面具有广阔的应用前景。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备各类新型功能薄膜与器件的有效手段。薄膜的制备方法很多，主要有化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类，如真空热蒸发方法、分子束外延生长、磁控溅射方法和脉冲激光沉积等是常用的物理气相沉积技术。随着纳米技术的日臻完善，金属Au诱导非晶半导体Ge的晶化方法已经涉及到微电子器件和光电子元件的小型化问题。本发明利用一种简单易行的真空热蒸发方法，通过控制薄膜的厚度、真空热退火温度和时间，实现Au诱导非晶半导体Ge的晶化，制备出具有不同分形特征的纳米薄膜， 并提供一种拥有非线性电学特性的分形纳米薄膜。发明内容
本发明的目的是提供一种制备技术简单、形貌可控、重复性良好的具有非线性电学特性的Au/Ge分形纳米薄膜的制备方法。
本发明一种具有非线性电学特性的Au/Ge分形纳米薄膜的制备方法，其特征在于具有以下过程和步骤a.参考热蒸发公式 = ^^,本发明人设计设定了 AU:Ge=1.66:l (摩尔比)，ρ根据该摩尔比制备Au和Ge分别为25和20纳米的薄膜；将一定质量的高纯Ge (纯度99. 9 wt. %)和高纯Au(纯度99. 99 wt. %)分别放置于真空热蒸发装置中的钨丝花篮上。衬底选择单晶氯化钠(100)晶面；在室温下当真空度优于2 XlO-5 Torr时，在室温条件下先蒸发半导体Ge，然后在保持真空度不变的条件下，后蒸发金属Au，即可得到室温下的Au/Ge双层膜；b.将室温条件下制备的Au/Ge双层膜置于真空炉中，在真空度优于2X10_5Torr时， 在120 210°C温度范围内将薄膜样品分别真空退火30分钟，获得分形维数为1. 653， 1.756，1.781，1.878的分形纳米薄膜；选择120°C 210°C为真空退火的温度范围，可成功制备不同维数的分形纳米薄膜材料；其中，最佳退火温度为150°C ；c.对几种不同形态特征即不同分形维数的分形纳米薄膜分别进行电压-电流(V-I) 性能测量。结果呈现在120°C，180°C和210°C分别真空退火为30分钟获得的分形纳米薄膜具有常规的欧姆特性，即电压(O /电流(/)是定值；而在150°C真空退火为30分钟获得的分形纳米薄膜具有反常的欧姆特性，即-MIdI是负值，这种分形纳米薄膜呈现非线性电学特性。
上述的热蒸发公式为d =,这里 是薄膜的厚度， 是Ge或Au的质量，r (=10厘米)为蒸发源到衬底的距离，P是Ge或Au的密度；Au和Ge的薄膜厚度分别设计为25和20纳米。当Au和Ge的摩尔配比一定，它的薄膜厚度之比也是固定的。
本发明的特点是通过控制真空热蒸发技术参数，可以达到不同形态特征及其拥有非线性电学特性的分形纳米薄膜。本发明方法制备技术简单、形貌可控、重复性良好。随着薄膜技术的不断发展，微电子器件和光电子元件的小型化过程中遇到的科学问题亟待解决，因而本发明在半导体工业，如微电子器件和光电子元件等领域具有潜在的应用价值。
图1为本发明制备所得的Au/Ge双层膜室温下的透射电镜图。
图2为本发明制备所得的不同分形形态特征的透射电镜图。
图3为本发明在150°C真空退火30分钟制备所得的分形纳米薄膜的高分辨电镜图。
图4为本发明制备所得的不同分形形态特征的分形维数计算图。
图5为本发明制备所得的不同分形形态特征纳米薄膜在不同测量温度下的电阻值图。
图6为本发明在150°C真空退火30分钟制备所得的分形纳米薄膜的非线性电学特性图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例进一步说明如下。 实施例
(1)、根据热蒸发公式和Au与Ge的摩尔配比，可以制备得到Au和Ge的薄膜厚度分别为25和20纳米的双层膜。将一定质量的高纯Ge (纯度99. 9 wt. %)和高纯Au (纯度99. 99 wt. %)分别放置于真空热蒸发装置中的钨丝花篮上。Au和Ge的质量分别为mAu =6.0602 ΧΙΟ—2克，mee = 1. 3364X 10_2克。衬底选择单晶氯化钠(100)晶面。蒸发源到衬底的距离设计为10厘米。在室温下当真空度优于2 X IO-5Torr时，在室温条件下先蒸发半导体Ge，然后在保持真空度不变的条件下，后蒸发金属Au，即可得到室温下的Au/Ge双层膜(图1)。
O)、将实施例一中得到的Au/Ge双层膜分别置于真空炉中进行真空退火，在真空度优于2 X 10_5 Torr时，在120 210°C的温度区间范围内设计真空退火温度为120°C， 15(TC，180°C和210°C，分别退火为30分钟，即可获得不同分形结构特征的分形纳米薄膜 (分别对应图2a，b，c和d)。
仪器检测现将本实施例所得产物的仪器检测叙述如下 仪器检测试验例一将上述实施例中的150°C真空退火为30分钟所得到的分形纳米薄膜进行详细的高分察，结果表明组成分形结构的Ge纳米晶被Au多晶包围，存在一些层错缺陷；波纹状花样是由于Ge纳米晶与Au小晶粒重叠所致(图3a)。非晶Ge (a-Ge)的晶化过程被认为是由于在多晶Au的晶界处诱导a-Ge形成Ge的小纳米晶(图3b)所致，这种小的Ge纳米晶随机诱导成核与生长形成分形花样。
仪器检测试验例二通过Box-counting方法，对四种真空热退火的分形纳米薄膜进行计算拟合发现四种真空退火温度下的薄膜都能够较好的线性拟合，说明真空退火后的纳米薄膜具有分形结构特征。获得的纳米薄膜的分形维数是在120°C真空退火30分钟条件下，分形维数等于 1. 653 (图如)；在150°C真空退火30分钟条件下，分形维数等于1. 756 (图4b)；在180°C真空退火30分钟条件下，分形维数等于1. 781 (图4c)；在210°C真空退火30分钟条件下，分形维数等于1.878 (图4d)。
仪器检测试验例三将实施例二中得到的不同形态特征(不同分形维数)的分形纳米薄膜分别进行电学性能测量，测量温度从80 K到300 K。结果表明随着测量温度的增加，四种分形纳米薄膜的电阻变化不大；随着真空退火温度的增加(分形维数增大)，薄膜的电阻变小，但210°C真空退火为30分钟所得到的分形纳米薄膜的电阻值陡增，比其它三种真空退火温度下的电阻值都要大(图5)。构成分形结构的Ge纳米晶隧道结是产生电阻值差异的根本原因。
仪器检测试验例四将实施例二中得到的不同形态特征(不同分形维数)的分形纳米薄膜分别进行电压-电流(V-I)性能测量。我们发现在120ISO0CiP 210°c分别真空退火为30分钟获得的分形纳米薄膜具有常规的欧姆特性，即电压(V) /电流(I)是定值。而在150°C真空退火为30分钟获得的分形纳米薄膜具有反常的欧姆特性，即dR/dI是负值，这种分形纳米薄膜呈现非线性电学行为(图6)。
权利要求
1.一种具有非线性电学特性的Au/Ge分形纳米薄膜的制备方法，其特征在于具有以下过程和步骤a.参考热蒸发公式 =,本发明人设计设定了 Au Ge=L 66 1 (摩尔比)，根据该摩尔比制备Au和Ge分别为25和20纳米的薄膜；将一定质量的高纯Ge (纯度99. 9 wt. %) 和高纯Au (纯度99. 99 wt. %)分别放置于真空热蒸发装置中的钨丝花篮上；衬底选择单晶氯化钠(100)晶面；在室温下当真空度优于2 X ΙΟ"5 Torr时，在室温条件下先蒸发半导体 Ge，然后在保持真空度不变的条件下，后蒸发金属Au，即可得到室温下的Au/Ge双层膜；b.将室温条件下制备的Au/Ge双层膜置于真空炉中，在真空度优于2ΧΙΟ"5 Torr 时，在120 210°C温度范围内将薄膜样品分别真空退火30分钟，获得分形维数为1. 653， 1.756，1.781，1.878的分形纳米薄膜；选择120°C 210°C为真空退火的温度范围，可成功制备不同维数的分形纳米薄膜材料；其中，最佳退火温度为150°C ；c.对几种不同形态特征即不同分形维数的分形纳米薄膜分别进行电压-电流(V-I) 性能测量；结果呈现在120°C，180°C和210°C分别真空退火为30分钟获得的分形纳米薄膜具有常规的欧姆特性，即电压(O /电流(/)是定值；而在150°C真空退火为30分钟获得的分形纳米薄膜具有反常的欧姆特性，即-midi是负值，这种分形纳米薄膜呈现非线性电学特性。
2.如权利要求1所述的一种具有非线性电学特性的Au/Ge分形纳米薄膜的制备方法，其特征在于所述的热蒸发公式热蒸发公式J = ;^ ,这里 是薄膜的厚度， 是Ge或Auatq- ρ的质量，r(=10厘米)为蒸发源到衬底的距离，々是Ge或Au的密度；当Au和Ge的摩尔配比一定，它的薄膜厚度之比也是固定的。
全文摘要
本发明涉及一种制备金(Au)诱导非晶半导体锗(Ge)的晶化方法及其分形纳米薄膜的非线性电学特性。本发明主要内容是利用真空热蒸发技术，将高纯Ge(纯度99.9wt.%)和高纯Au(纯度99.99wt.%)分别放置于真空热蒸发装置中的钨丝花篮上。在室温下当真空度优于2×10-5Torr时，先蒸发半导体Ge，然后在保持真空度不变的条件下，后蒸发金属Au。衬底选择单晶氯化钠(100)晶面。将预先在室温条件下制备的Au/Ge双层膜置于真空炉中，在真空度优于2×10-5Torr时，在120℃，150℃，180℃，210℃分别真空退火30分钟，分别可以获得分形维数1.653，1.756，1.781，1.878的分形纳米薄膜。本发明的特点是通过控制真空热蒸发技术参数，可以达到不同形态特征及其拥有非线性电学特性分形纳米薄膜。
文档编号C23C14/06GK102517548SQ20111044983
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者吴明红, 李全宝, 焦正, 陈志文, 陈琛 申请人:上海大学