一种基于脊形电极结构的纳米线排列与定位方法
【专利摘要】本发明提供一种基于脊形电极结构的纳米线排列与定位方法，其特征是：利用脊形电极结构顶端的电场强度最大效应，通过电场力将纳米线精确定位在脊形结构顶端。在单晶材料衬底上制备的脊形结构侧壁，通常由{110}和{111}等晶面族构成，因此脊形结构的尖锥宽度可以达到纳米级尺度，从而实现纳米线的精确排列与定位；同时脊形结构顶部的胶体还可以有效防止纳米线被电场击穿和损坏。该方法具有工艺简单、适合规模化制备的特点。
【专利说明】一种基于脊形电极结构的纳米线排列与定位方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米线的排列与定位方法，可用于纳米线器件的制备。
【背景技术】
[0002]纳米技术被认为是21世纪的三大科学技术之一。其中，半导体纳米线由于其独特的一维量子结构，被认为是未来微纳器件的基本结构[Mater.Today, 9 (2006) 18-27]。近年来，半导体纳米线的研究工作取得很大进展，其应用领域包括集成电路[Nature，470(2011)240-244]、晶体管[Nano Letters，8 (2008)925-930]、激光器[Science,292(2001)1897-1899]、生物传感器[Analytical Chemistry，83(2011)1938-1943]、发光二极管[Nano Letters，6 (2006) 1719-1722]、以及太阳能电池[NanoLett.，10(2010) 1082-1087]等。
[0003]尽管半导体纳米线具有很重要的应用前景，但是纳米线器件的实用化和产业化还亟需解决一系列问题，其中的关键问题是如何针对极其纤细(直径细至几个纳米)的纳米线进行操控、组装和加工。
[0004]为此，人们发明了各种排列和组装纳米线的方法，包括:利用分子间的氢键和范德瓦尔斯力排列纳米线[Adv.Mater.13 (2001) 249],利用电场力排列纳米线[Nat.Nanotechnol.5 (2010)，525]，利用剪切力排列纳米线[Science 291 (2001) 630 ；NanoLett.7 (2007) 773]，利 用磁力排列纳米线[Chem.Mater.17(2005) 1320]等。
[0005]上述的排列方法中，只有电场力排列有可能实现将纳米线精确固定于特定位置。但是，目前的电场力排列方法都是采用平面电极结构，为了实现精确定位，电极的宽度必须接近或小于纳米线的直径。制备纳米尺度的电极，需要使用昂贵的电子束光刻设备；而且施加在电极上的电压可导致击穿甚至损坏纳米线。因此研发简易、安全的纳米线精确定位技术，是本发明的创研动机。
【发明内容】
[0006]本发明旨在解决纳米线的精确定位问题，提出了“一种基于脊形电极结构的纳米线排列与定位方法”；与传统的平面电极不同，本发明通过脊形电极结构来精确控制纳米线的排列位置，具有工艺简单、适合规模化制备的特点。
[0007]发明人对半导体纳米线和半导体刻蚀工艺有着深入的研究[Nano Letters,10(2010)64 ；J.Vacuum Science and Technology B，23 (2005) 1650]，从而启发了本发明的产生。本发明可以按以下方式实现:
[0008]首先，在衬底表面制备出细长的脊形结构，其长度L接近或大于纳米线的长度，其高度为H(图1所示)；
[0009]接着，通过镀膜和光刻工艺，在脊形结构的两端分别制备两个电极，该电极横跨脊形结构(图2所示)；
[0010]然后，通过涂胶工艺，在衬底表面覆盖一层胶；由于胶具有流动性，会使得衬底表面平坦化，因此脊形结构顶部的胶比其他部位的胶更薄(图3所示)；
[0011]最后，在脊形结构两端的电极上施加电场；当含有纳米线的液体接触衬底表面时，由于脊形结构顶部的胶最薄、电场最强，因此溶液中的纳米线会被吸附并定位在脊形结构的顶部，实现纳米线的精确定位(图4所示)。
[0012]本发明中，脊形结构顶部的电极和纳米线之问未直接接触，可以有效避免纳米线被两个电极之间的电场击穿(图4所示)。
[0013]本发明中，也可以通过刻蚀等工艺，除去图3中的脊形结构顶部的胶体，从而让顶部的电极露出(图5所示)，则纳米线可以直接吸附在顶部电极表面。
[0014]本发明中脊形结构的制备，可以利用光刻和腐蚀工艺，在衬底表面形成条状的掩模(图6所示)，然后通过腐蚀形成(图7所示)，其截面形状可以是梯形或矩形。
[0015]本发明中脊形结构的截面形状，可以通过延长腐蚀的时间，从梯形变为锥形(图8所示)；因此通过控制腐蚀时间，脊形结构顶端的宽度可以达到纳米尺度，用于精确定位纳米线。
[0016]本发明中的脊形结构，如果是在单晶硅衬底上通过湿法腐蚀制备，脊形结构的侧壁可以由{110}或{111}等晶面构成；这些晶面形成的锥形尖端可以达到纳米级尺度(Sensors and Actuators A,116(2004)264)。
[0017]本发明中的脊形结构可以是分段的，即可以除去脊形结构的中间部分；当纳米线被固定在脊形结构顶端时，纳米线的中间部分悬空、可以移动(图9所示)，因此可以用于制备纳米线位移传感器。
[0018]本发明中的衬底材料优选自硅、玻璃、Al203、SiC、GaAs和InP。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。
[0020]图1衬底表面的脊形结构(其中左图为立体图，右图为侧面图)。
[0021]图2脊形电极结构(其中左图为立体图，右图为侧面图)。
[0022]图3在制备了脊形结构和电极的衬底上覆盖胶体(其中左图为立体图，石图为侧面图)。
[0023]图4在脊形结构顶端定位纳米线(其中左图为立体图，右图为侧面图)。
[0024]图5除去顶部胶体的脊形结构。
[0025]图6具有条状掩膜的衬底。
[0026]图7通过腐蚀带有掩膜的衬底来制备脊形结构。
[0027]图8具有梯形和锥形截面的脊形结构。
[0028]图9利用两段脊形结构来实现纳米线的悬空定位(其中左图为俯视图，右图为侧面图)。
【具体实施方式】
[0029]为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。[0030]例I
[0031]首先,在娃衬底表面氧化形成一层SiO2薄层,通过光刻、刻蚀工艺在娃衬底表面制备细长条的SiO2薄层作为掩膜(图6);接着，利用各向异性湿法腐蚀(图8)，在硅衬底上制备脊形结构(图1);
[0032]其次，通过光刻、镀膜工艺，在脊形结构两端分别制备两个条状电极(图2);然后在制备了脊形结构和电极的衬底上旋涂胶体薄层(图3);
[0033]最后，将含有GaAs纳米线的溶液，滴在衬底表面；由于尖端的电场强度最大，在电极上施加的交流电场力使得纳米线定位在脊形电极的顶部(图4);
[0034]例2
[0035]首先，在GaAs衬底表面生长一层SiNx薄层，通过光刻、刻蚀工艺在衬底表面制备细长条的SiNx薄层作为掩膜(图6);接着，利用湿法腐蚀(图7)，在硅衬底上制备脊形结构(图1);
[0036]其次，通过光刻、镀膜工艺，在脊形结构两端分别制备两个条状电极(图2);然后在制备了脊形结构和电极的衬底上覆盖胶体(图3);
[0037]最后，将含有GaN纳米线的溶液,滴在衬底表面；由于尖端的电场强度最大，在两个电极上施加的电场力使得纳米线定位在脊形电极的顶部(图4);
[0038]例3
[0039]首先，在硅衬底表面生长一层SiO2薄层，通过光刻、刻蚀工艺在硅衬底表面制备两段细长条的SiO2薄层作为掩膜(图6);接着，利用各向异性湿法腐蚀(图8)，在硅衬底上制备两段脊形结构(图9);
[0040]其次，通过光刻、镀膜工艺，在两段脊形结构上分别制备两个条状电极；然后在制备了脊形结构和电极的衬底上覆盖胶体(图9);
[0041]最后，将含有InAs纳米线的溶液，滴在衬底表面；由于脊形结构尖端的电场强度最大，在两个电极上施加的电场力使得纳米线定位在两段脊形结构的顶部，形成悬空的纳米线(图9);
[0042]以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。
【权利要求】
1.一种基于脊形电极结构的纳米线排列与定位方法，其特征是:利用脊形电极结构顶端的电场强度最大效应，通过电场力将纳米线精确定位在脊形结构顶端。
2.权利要求1所述的脊形电极结构，可以通过在脊形结构上镀金属电极而成。
3.权利要求2所述的脊形结构，可通过在衬底上制备掩膜，然后经腐蚀而成。
4.权利要求1所述的顶端电场强度最大效应，可以通过在脊形电极结构上涂覆不导电的胶体实现。
5.权利要求4所述的胶体，由于具备流动性，脊形结构顶端的胶体厚度最薄，因此在电极上施加电场时脊形结构顶端的感应电场强度最大。
6.权利要求3所述的脊形结构，其截面形状可以是锥形、梯形或矩形。
7.权利要求6所述的脊形结构，可以通过控制腐蚀时间，其截面形状由梯形变为锥形。
8.权利要求2和3所述的脊形结构，可以是分割开的多段脊形结构。
9.权利要求8所述的多段脊形结构，可以用来定位纳米线，从而形成悬空的纳米线结构。
10.权利要求3所述的衬底材料，优选自硅、玻璃、A1203、SiC,GaAs和InP。
【文档编号】B81C1/00GK103708411SQ201210391210
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年10月1日 优先权日:2012年10月1日
【发明者】黄辉, 渠波, 刘蓬勃 申请人:黄辉, 渠波, 刘蓬勃