纳米带的制备方法及其在光探测器中的应用的制作方法
【专利摘要】一种制备ZrSe3和HfSe3纳米带的方法，即将锆粉(或铪粉)与硒粉按照1∶3比例混合，充分研磨混合均匀并装入一端封闭的石英管中，抽真空，火焰封闭另一端。将密封好的石英管水平放入管式炉的中，原料在炉子中间，在550-750℃反应一段时间后，原料全部转化为ZrSe3(或HfSe3)纳米带。然后，将这两种纳米带分别在SiO2/Si基片上加工成单根纳米带的场效应晶体管作为光探测器。这两种光探测器在可见光的波长范围内具有良好的光敏感特性。本发明公开了其材料制备方法和该探测器的制造方法。
【专利说明】ZrSe1^n HfSedfl米带的制备方法及其在光探测器中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及ZrSejPHfSe3m米带的合成方法及其单根纳米线光探测器的加工。具体地说，以锆粉、铪粉和硒粉为原料。按锆硒1: 3的摩尔比将原料封闭在石英管中，用化学气运传输法生长ZrSe3纳米带。按上述同样的方法制备HfSe3纳米带。取上述纳米带少许分别在适量的乙醇溶液中超声分散，然后分别滴加到Si02/Si基片上。用双胶光刻工艺、真空溅射技术以及剥离技术在上述带样品的基片上加工出几百个Ti/Au电极阵列，从而实现单根纳米线被两电极的连接，构成光探测器。
【背景技术】
[0002]随着微尺度加工技术和表征手段的进一步发展，人们惊奇的发现许多微纳结构材料(如纳米带、纳米线、薄层纳米片、纳米纸)具有新奇的性能。优异的性能使人们确信微纳米器件时代的到来，继而制备出各种各样的纳米材料，并组装成微纳器件。过渡金属三硫化物MX3家族是假一维结构的半导体和金属体，由于结构的各向异性导致性能的各向异性而引起了人们的关注。过去几年来，我们已合成了一些过渡金属二硫化物纳米带，并在场发射和可见光探测器件上获得应用。最近的研究发现，过渡金属三硫化物纳米带具有较好的光敏性，并能加工成光传感器件。ZrSejP HfSe3是一类重要的半导体材料，禁带宽度分别为1.818eV和2.24eV,光吸收覆盖了紫外-可见光区域，是一类很有潜力的光电材料。本专利报道ZrSe3和HfSe3纳米带的制备方法和基于其单根纳米带光探测器的制造方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供ZrSe3和HfSe3纳米带的合成方法及其单根纳米线光探测器的加工。
[0004]本发明的技术方案如下:
[0005](I)ZrSe3纳米带的制备方法:它是将锆粉与硫粉按1: 3的摩尔比放入一端封闭的石英管中，抽真空至KT2Pa以下，将石英管火焰密封(Φ6πιπιΧ 10cm,真空度ca.1(T2Pa)，然后把它放在水平管式高温炉中间，使样品置于炉子的中间在550-750°C下加热5-24小时，即石英管内的原料全部转化成ZrSe3纳米带。
[0006](2)HfSe3纳米带的制备方法:它是将铪粉与硫粉按1: 3的摩尔比放入石英管中，抽真空至KT2Pa以下，将石英管火焰密封(Φ6mmX 10cm，真空度ca.1(T2Pa)，把石英管水平放置在管式高温炉中间，使样品置于炉子的中间在550-750°C下加热5-24小时，即石英管内的样品全部转化成HfSe3纳米带。ZrSe3和HfSe3纳米带的形貌与成分分别用SEM(扫描电镜)和EDS(能量损失谱)表征，如图1。
[0007](3) ZrSe3单根纳米带光探测器的加工方法:取ZrSe3纳米带少许放在5_10mL的乙醇溶液中超声分散5分钟，然后取上清液滴加到Si02/Si基片上，用光学显微镜观察其均匀度，乙醇挥发后形成均匀分布ZrSe3纳米带(较稀)。用双胶光刻工艺(分别在带样品的基片上旋转涂胶、烘胶、二次涂胶、烘胶、曝光(带电极掩膜)、烘胶、泛曝光、显影工序，将器件图案化。)、真空溅射沉积Ti/Au电极(光刻好的基片放置在电子束、离子溅射或PLD系统真空腔内，通过控制条件沉积Ti/Au源-漏电极)以及剥离技术(去胶)在上述带样品的基片上加工出几百个Ti/Au电极阵列，从而实现单根纳米线被两电极的连接，构成光探测器。
[0008](4) HfSe3单根纳米带光探测器的加工方法:按(3)的实验方法，用HfSe3纳米带代替ZrSe3纳米带做实验，即得HfSe3单根纳米带光探测器。
[0009]本发明的光探测器能从紫外到可见光范围的探测，响应速度快，原料易得，制作简单实用，可以在民用中发挥作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明:(a) ZrSe3纳米带的SEM (扫描电镜)图；(b) ZrSe3纳米带的放大的SEM图；(C)ZrSe3纳米带的EDS (X射线能量损失谱)；((I)HfSe3纳米带的SEM图；(e) HfSe3纳米带的放大的SEM图；(f)HfSe3纳米带的EDS。
[0011]图2为本发明:光探测器(晶体管)的构建示意图。
[0012]图3为本发明:(&)2663单根纳米带光探测器的SEM图；化”巧巧单根纳米带光探测器在不同频率光照下的I (电流)-V(电压)曲线；(C)HfSe3单根纳米带光探测器的SEM图；(d)HfSe3单根纳米带光探测器在不同频率光照下的1-V曲线。
[0013]图4为本发明:(a)单根ZrSe3光电探测器在650nm光照下开关转换下的1(电流)_t (时间)曲线；(b，c)单根ZrSe3光电探测器衰减时间/上升时间的局部放大图。
[0014]图5为本发明:(a)单根HfSe3光电探测器在532nm光照下开关转换下的1(电流)_t (时间)曲线；(b、c)单根HfSe3光电探测器衰减时间/上升时间的局部放大图。
【具体实施方式】
[0015]实施例1.ZrSe3纳米带的制备方法
[0016]首先将锆粉末(99.95%,91.17mg)与硒粉末(99.99%,236.88mg)按照摩尔比I: 3混合研磨均匀并装入一端封闭的石英管中，抽真空，火焰封管。将密封好的石英管(◎6mmX10cm，ca.1(T2Pa)水平放入管式炉中，样品放在炉子中间，在650°C下反应24h，原料全部转化为三硫化锆纳米带。反应结束后，石英管自然冷却至室温。切开管子后，用摄子将产物取出。结构被XRD证实。形貌如图1 (a，b);化学成分如图1 (c)。
[0017]实施例2.ZrSe3纳米带的制备方法
[0018]按实施例1的步骤制备ZrSe3纳米带材料，但反应温度变为550°C和750°C，其他步骤相同。结果同实施例1。
[0019]实施例3.ZrSe3纳米带的制备方法
[0020]按实施例1的步骤制备ZrSe3纳米带材料，但反应时间变为5h和20h，其他步骤相同。结果同实施例1。
[0021]实施例4.HfSe3纳米带的制备方法
[0022]首先将铪粉末(99.95%,173.8mg)与硒粉末(99.99%,236.88mg)按照摩尔比I: 3混合充分研磨并装入一端封闭的石英管中，抽真空，火焰封管。将密封好的石英管(◎6mmX10cm，ca.1(T2Pa)水平放入管式炉中，原料在炉子中间。在650°C下反应24h，原料全部转化为三硫化锆纳米带。反应结束后，石英管自然冷却至室温。用砂轮切开管子后，将产物取出。结构被XRD证实。形貌如图1 (d，e);化学成分如图1 (f)。
[0023]实施例5.HfSe3纳米带的制备方法
[0024]按实施例4的步骤制备HfSe3纳米带材料，但反应温度变为550°C和750°C，其他步骤相同。结果同实施例4。
[0025]实施例6.HfSe3纳米带的制备方法
[0026]按实施例4的步骤制备HfSe3纳米带材料，但反应时间变为5h和20h，其他步骤相同。结果同实施例4。
[0027]实施例7.基于ZrSe3单根纳米带的光探测器的加工方法
[0028]将适量ZrSe3纳米带分散于乙醇溶液中，超声震荡5min使纳米材料均勾悬浮在分散液中，将分散液均匀滴加在清洗后洁净的Si02 (300nm)/Si衬底上，挥发后形成均匀分布ZrSe3纳米带。采用光刻工艺，即涂胶、烘胶、二次涂胶、烘胶、曝光(带掩膜)、烘胶、泛曝光、显影工序，将器件图案化，行成反向的电极陈列。然后放置在电子束(PLD系统或离子溅射)真空腔内，通过控制条件沉积Ti/Au源-漏电极阵列，再次去胶形成电极阵列，源-漏电极与纳米带及Si02/Si基片构成光探测器(或场效应晶体管)(构建图如图2)。单根纳米线晶体管的实物放大图如图3(a);在不同光照下的电流变化如图3(b)。在650nm光照下器件的开关效应如图4 (a)。因此，具有良好的可见光传感作用。
[0029]实施例8.基于HfSe3单根纳米带的光探测器的加工方法
[0030]按实施例7的步骤加工HfSe3单根纳米带光探测器，只是使用HfSe3纳米带，其他步骤相同。单根HfSe3纳米线晶体管的实物放大图如图3(c);在不同光照下的电流变化如图3(d)。在532nm光照下器件的开关效应如图5(a)。因此，也具有良好的可见光传感作用。
【权利要求】
1.一种制备ZrSe3纳米带的方法:首先将锆粉末与硒粉末按照摩尔比1: 3混合，研磨混合均匀并装入一端封闭的石英管中，抽真空，火焰封管。将密封好的石英管水平放入管式炉中间，在550-750°C下反应5-24h，原料全部转化为三硫化锆纳米带。纳米带宽度为20-500nm,长度为几十纳米。
2.一种制备HfSe3纳米带的方法:首先将铪粉末与硒粉末按照摩尔比1: 3混合，研磨混合均匀并装入一端封闭的石英管中，抽真空，火焰封管。将密封好的石英管水平放入管式炉中间，在550-750°C下反应5-24h，原料全部转化为HfSe3纳米带。典型的纳米带宽度也为20-500nm，长度为几十纳米。
3.基于ZrSe3单根纳米带的光探测器的加工方法:将适量ZrSe3纳米带分散于乙醇溶液中，超声震荡使纳米材料均匀悬浮在分散液中，将分散液均匀滴加在清洗后洁净的S12/Si衬底上，挥发后形成均匀分布ZrSe3纳米带。采用光刻工艺，即涂胶、烘胶、二次涂胶、烘胶、曝光(带掩膜)、烘胶、泛曝光、显影工序，将器件图案化成反向的电极陈列。然后将光刻好的样品放置在电子束(PLD系统或离子溅射)真空腔内，通过控制条件沉积Ti/Au源-漏电极阵列。去胶后，源-漏电极与纳米带及Si02/Si基片构成光探测器。
4.基于HfSe3单根纳米带的光探测器的加工方法:按权利3的方法加工HfSe3单根纳米带的光探测器，只是用HfSe3替代ZrSe3完成微加工实验。
【文档编号】C01B19/04GK104261358SQ201410460580
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】吴兴才, 熊维伟, 朱俊杰, 陈晋强 申请人:南京大学