专利名称：形成基于氧化物的纳米结构材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，更具体地，涉 及一种利用过渡金属或半金属的氧化物形成纳米结构材料的方法。
背景技术：
包含金属或非金属元素的基于氧化物的纳米结构材料潜在地可应用于 例如场效应晶体管(FET)、单电子晶体管(SET)、光电二极管、生化传感器和 逻辑电路的纳米电子器件领域。因此，已经在多种技术领域实施了纳米结构 材料的性质和及其形成方法的研究。根据形成基于氧化物的纳米结构材料的常规方法，利用溅射或热蒸发在 衬底之上沉积例如Au、 Ag、 Pd和Pt的贵金属而形成纳米级贵金属薄膜， 之后使衬底退火而形成贵金属颗粒或贵金属簇。之后，利用贵金属颗粒或贵 金属簇作为核，通过物理或化学工艺从衬底生长基于氧化物的纳米结构材 料。但是，这种常规的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法复杂并且需要 大面积衬底，因而还要求大规模设备来生长基于氧化物的纳米结构材料。另外，作为形成起核作用的贵金属纳米颗粒，和之后从那里生长基于氧 化物的纳米结构材料的复杂工艺的结果，贵金属作为杂质残留于所得到的基 于氧化物的纳米结构材料中。另外，制造成本由于贵金属而增加。所以，限 制了基于氧化物的纳米结构材料的大规模生产。另外，因为它们具有不同的组成，所以在贵金属颗粒或贵金属簇与基于 氧化物的纳米结构材料之间的连接是不完全的，且掺杂剂不容易注入到所得到的纳米结构中。具体地，虽然用于纳米结构材料中的材料本身具有优异的电学性质，但根据用作核的贵金属的平面指数(plane index)不容易控制纳米结 构材料的生长速率、尺寸和形状。因此，基于氧化物的纳米结构材料不能具 有均匀的组成、形状和尺寸，同样不具有稳定的性质。因此，由于依照常规 方法形成的基于氧化物的纳米结构材料提供不稳定的电学性质，所以应用到 集成高速电子电路也就受到限制。发明内容本发明提供一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，其通过生长没 有杂质的基于氧化物的纳米结构材料，以低成本实现了具有均匀组成的基于 氧化物的纳米结构材料，且提供适于最小化和集成电子电路应用的稳定的电 学特性。根据本发明的一方面，提供一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方 法，该方法包括在衬底上涂布溶液，该溶液包含(a)含有作为过渡金属或半金属的M的 有机前体和(b)溶解该有机前体的有机溶剂；通过使涂有该溶液的村底退火而在该衬底上形成组成为MxOy的纳米 核，其中x是l-3的整数，y是l-6的整数；通过在向纳米核中提供含有M的反应前体的同时生长纳米核而形成组 成为MxOy的纳米结构材料，其中x是l-3的整数，y是l-6的整数；以及使该纳米结构材料退火。该溶液可以通过以1:1-1:5000的体积比混合有机前体和基于醇的有机溶 剂制得。该溶液在衬底上的涂布可以利用浸渍、旋涂或喷涂进行。 涂有该溶液的衬底的退火可以在50-500。C的温度范围内进行1秒-1小时。形成该纳米结构材料可利用选自溅射、热化学气相沉积、金属-有机 CVD(MOCVD)、气-液-固相外延(VSLE)、脉沖激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶工 艺中的工艺以生长纳米核进行。纳米结构材料的退火可以在100-1200。C的温度范围内进行1分钟-24小时。纳米结构材料可以具有纳米线形状、纳米棒形状或纳米壁(nano-wall)形状。依照本发明的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，因为利用具有与 所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核生长基于氧化物的纳 米结构材料，所以该纳米结构材料不含杂质。另外，通过由使用湿法化学工 艺来形成纳米核的低制造成本的简单工艺，能够形成具有优异结晶特性的基 于氧化物的纳米结构材料。因此，在应用到最小化和集成的电子电路时，依 照本发明形成的该基于氧化物的纳米结构材料可以提供均匀的连接，还可以 提供稳定的电学和光学性质。
通过参照附图详细描述其示例性实施方案，本发明的上述和其他特征以 及优点将变得更显著，其中图1是阐述依照本发明实施方案的形成基于氧化物的纳米结构材料的 方法的流程图。
具体实施方式
下文中，现在将通过参考其中图示了本发明的示例性实施方案的附图更 全面地描述本发明。但是，本发明可以许多不同的方式实施且不应当理解为 局限于这里提出的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使得公开彻底图1是阐述依照本发明实施方案的形成基于氧化物的纳米结构材料的 方法的流程图。参考图1,在工序10中，将溶液涂布在衬底上，该溶液包含含有作 为过渡金属或半金属的M的有机前体；及溶解该有机前体的有机溶剂。为此，含有M的有机前体与有机溶剂混合以制备溶液。溶液中有机前 体和基于醇的有机溶剂之间的体积比在大约1:1-1:5000的范围内。有机前体可以是M(CH3COO)2.2H20。这里，M可以是选自Ti、 V、 Cr、 Zn、 Y、 Zr和Nb的过渡金属或选自Si、 Ge和As的半金属。有机溶剂可以是基于醇的有机溶剂，例如曱醇和乙醇。可以利用浸渍、旋涂或喷涂在衬底上涂布溶液。衬底可以由八1203、石英、Si、 GaN或玻璃形成。例如，当利用浸渍法涂布溶液时，可以实施如下工艺。首先，以1:1-1:5000 的体积比将含有M的有机前体，例如M(CH3COO)2'2H20溶解在基于醇的有 机溶剂例如曱醇、乙醇和异丙醇(IPA)中，且溶液在室温下搅拌大约1分钟-24 小时。之后，将衬底浸渍到搅拌的溶液中大约1秒-1小时以用溶液均匀地涂 布衬底。之后，从溶液中取出衬底。衬底上由溶液形成的薄膜的厚度可以通 过控制浸渍时间或其他条件而调节到大约1 -1000nm 。例如，当利用旋涂法将溶液涂布到村底上时，在以大约100-10000rpm 旋转衬底的同时，用移液管将大约0.01-100ml的溶液滴在衬底上，而在衬底 上形成薄膜。还例如，当利用喷涂法将溶液涂布到衬底上时，可以利用适当的喷涂设 备将溶液薄薄地涂布在衬底上。在该实施方案中，M(CH3COO)2.2H20用作含有M的有机前体，以及基 于醇的有机溶剂用作有机溶剂，但本发明并不限于此。例如，有机前体可以 是M(CH3COO)2.2H20、 M(CH3COO)2、 M(CH3)2、 M(C2H5)2、 M(C5H702)2等。 另外，有机溶剂可以是非基于醇的有机溶剂。在工序20中，使涂有溶液的衬底退火，在村底上形成了组成为MxOy 的纳米核，其中x是l-3的整数，y是l-6的整数。可以利用加热板、加热炉、真空室等进行形成纳米核的退火。退火可以 在大约50-500。C的温度范围进行大约1秒-1小时。在通过退火挥发涂布在衬 底上的溶液中的有机溶剂的同时，形成许多由溶解在溶液中的过渡金属或半 金属形成的具有均匀尺寸的氧化物纳米核。该纳米核可以具有大约几个至几 十个纳米。例如，当利用Zn(CH3COO)2.2H20作为有机前体时，包括ZnO的纳米 核形成于衬底之上。在工序30中，纳米核生长以在衬底上形成组成为MxOy的纳米结构材 料至所需尺寸，其中x是1-3的整数以及y是1-6的整数。可以利用例如溅射、热化学气相沉积、金属-有机CVD(MOCVD)、气-液-固相外延(VSLE)、脉冲激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶工艺的物理化学工艺 生长纳米核。当纳米核生长时，含有M的反应前体可以作为生长纳米核的源材料而提供给纳米核。例如，在利用MOCVD生长纳米核时，可以将作为M源材 料的Zn(CH3)2和作为O源的02气体各自提供给衬底。这里，Ar可以作为载 气使用。从纳米核生长的纳米结构材料可以具有多种形状，例如纳米线形状、纳 米棒形状和纳米壁形状。在工序40中，使纳米结构材料退火。纳米结构材料的退火可以利用加热板、加热炉、真空室等实施。退火可 以在大约100-1200。C的温度范围进行大约1分钟-24小时。在本工序中的使 纳米结构材料的退火的温度可以高于在工序20中的使衬底退火的温度。另 外，纳米结构材料的退火时间可以长于在工序20中衬底的退火时间。然而，序40中退火的目的。纳米结构材料的退火可以在标准大气条件下或包含氧 气的真空室中进行。由于通过纳米结构材料的退火补偿纳米结构材料氧的缺乏，所以可以得 到具有均匀组成的基于氧化物的纳米结构材料。另外，由于纳米结构材料的 结晶性的改善，可以获得晶格匹配的纳米结构材料，因而可以改善晶体质量。 该具有优异结晶性的纳米结构材料可用作二极管或光电器件的组件以改善 器件的电学和光学性质。依照本发明的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，具有与所需的基 于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核用来生长基于氧化物的纳米结 构材料，且利用湿法化学工艺来形成纳米核。因为依照本发明的基于氧化物 的纳米结构材料利用具有与所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的 纳米核来生长，所以纳米结构材料不含有杂质。因而，可以简化形成纳米结 构材料的工艺，因此较常规方法其成本能够降低。另外，通过实现具有均匀 组成的纳米结构材料可以改善晶体质量，且当掺杂所得到的纳米结构材料 时，可以容易控制掺杂元素的注入。依照本发明形成的基于氧化物的纳米结 构材料可以在应用于最小化和集成的电子电路时提供均匀的连接，且还可以 提供稳定的电学和光学性质。依照本发明形成的基于氧化物的纳米结构材料可以广泛地应用于例如 FET、 SET、光电二极管、生化传感器和逻辑电路、太阳能电池或显示器的 纳米电子器件领域。尽管已经参考其示例性实施方案具体地给出和描述了本发明，但是应当 理解，在不背离所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，本 领域的普通技术人员可以在形式上和细节上作出多种变化。
权利要求
1.一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，该方法包括在衬底上涂布溶液，该溶液包含(a)含有作为过渡金属或半金属的M的有机前体和(b)溶解该有机前体的有机溶剂；通过使涂有该溶液的衬底退火而在该衬底上形成组成为MxOy的纳米核，其中x是1-3的整数且y是1-6的整数；通过在向纳米核中提供含有M的反应前体的同时生长纳米核而形成组成为MxOy的纳米结构材料，其中x是1-3的整数且y是1-6的整数；以及使该纳米结构材料退火。
2. 权利要求1的方法，其中M是选自Ti、 V、 Cr、 Zn、 Y、 Zr和Nb的过渡金属。
3. 权利要求l的方法，其中M是选自Si、 Ge和As的半金属。
4. 权利要求1的方法，其中该溶液是通过混合作为有机前体的 M(CH3COO)2.2H20和作为有机溶剂的基于醇的有机溶剂而制得的。
5. 权利要求4的方法，其中该有机前体和该基于醇的有机溶剂以 1:1-1:5000的体积比混合。
6. 权利要求1的方法，其中该溶液在村底上的涂布是利用浸渍、旋涂 或喷涂进行的。
7. 权利要求1的方法，其中涂有该溶液的村底的退火是在50-50(TC的 温度范围内进行的。
8. 权利要求7的方法，其中涂有该溶液的衬底的退火进行1秒-1小时。
9. 权利要求1的方法，其中该纳米结构材料的形成是利用选自溅射、 热化学气相沉积、金属-有机CVD(MOCVD)、气-液-固相外延(VSLE)、脉沖 激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶工艺的工艺生长该纳米核进行的。
10. 权利要求1的方法，其中该纳米结构材料的退火是在100-120(TC的 温度范围内进行的。
11. 权利要求10的方法，其中该纳米结构材料的退火进行1分钟-24小时。
12. 权利要求l的方法，其中该纳米结构材料具有纳米线形状、纳米棒 形状或纳米壁形状。13.权利要求1的方法，其中该衬底由选自A1203、石英、Si、 GaN和 玻璃的一种形成。
全文摘要
提供一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，该方法包括利用具有与所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核生长纳米结构材料。在衬底上涂布溶液，该溶液包含含有作为过渡金属或半金属的M的有机前体；和溶解该有机前体的有机溶剂。通过使衬底退火，在衬底上形成组成为M<sub>x</sub>O<sub>y</sub>的纳米核。通过在向纳米核中提供含有M的反应前体的同时生长纳米核而形成组成为M<sub>x</sub>O<sub>y</sub>的纳米结构材料，并使该纳米结构材料退火。
文档编号C01B13/18GK101219777SQ20071019993
公开日2008年7月16日 申请日期2007年9月30日 优先权日2006年12月5日
发明者孟成烈, 明惠珍, 李善英, 金相侠 申请人:韩国电子通信研究院