一种制备超细垂直取向纳米线的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用有机气源为原料在绝缘衬底上制备超细垂直取向纳米线的方法，属于先进半导体材料制备的技术领域。
【背景技术】
[0002]直径在10纳米以下的半导体纳米线材料具有众多区别于宏观体材料的特性。比如其特有的量子尺度效应导致其禁带宽度较大；其大比表面积导致其表面效应突出，表面特性的表现甚至超过其体特性的表现。这些新奇的特性使得小尺寸的纳米线材料在众多领域具有广阔的应用前景。为此，关于小尺寸纳米线的制备和性质一直是相关领域的重要研宄课题。特别地，直径10纳米以下的小尺寸半导体纳米线材料的制备一直是相关领域研宄的热点。
[0003]目前，制备直径10纳米以下的超细纳米线主要使用化学方法。物理方法由于难以控制纳米线的小尺度成核过程，所以难以实现小尺度纳米线的生长。化学法制备小尺度纳米线优点是适合大量制备，获得的产物质量较好，但是其存在成本较高，条件比较难控制，产物比较容易受到污染等缺点。另外，对于半导体工业领域的相关用途，需要纳米线以某种形态附着于衬底上，比如对于场发射器件需要纳米线垂直生长于衬底上。又比如适用于探针显微镜的纳米线针尖则需要纳米线垂直于衬底位于针尖顶部。而使用化学方法制备的纳米线一般都需要特殊的途径才能将纳米线以特定的形态置于衬底上面。这一途径通常比较复杂，不便于后期的操作。如果能够直接在衬底上制备垂直取向的超细纳米线材料则可以省去纳米线定位的这一步骤。
[0004]为此，本发明提出使用静电吸附原理，利用静电吸附过程中的取向效应和局域场强增强效应制备垂直取向的超细纳米线。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明提出一种使用高能粒子束辐照绝缘材料表面使其带电，随后使用有机气源为原料，使有机气源分子吸附到带电表面后生长成垂直取向的超细纳米线的方法。可以实现直径5纳米以下，长度20纳米的超细纳米线制备。纳米线的面分布密度可以达到 0.4/nm2。
[0006]当高能粒子，比如电子束或者离子束辐照在材料表面时会使材料表面产生残余电荷。残余电荷的多少取决于电子束的强度和辐照剂量，同时也与所使用的材料密切相关。另夕卜，表面残余电荷的多少也影响材料表面的电场强度。如果材料本身是绝缘的或者非绝缘材料使用绝缘材料连接进行绝缘后，由于高能粒子辐照产生的电荷会在表面积累并形成表面电场。电场的分布与电荷的分布和材料的表面形状相关。比如平坦表面的电场分布一般比较均匀，而表面有凸起的表面会发生在凸起部位的电场聚集效应，在电场超过一定阈值的时候会在凸起处产生尖端放电。如果有挥发性分子处于电场作用的范围，则电场的极化效应和不均匀电场引起的取向效应等等效应会使分子产生自发极化并与其周围的电场产生力的作用，这一作用力驱动分子往材料表面运动并最终在材料表面吸附。吸附在材料表面的分子会产生额外的形状效应，这一效应与分子的导电特性相关。一般而言分子在材料表面吸附后会产生凸起的结构，这种结构会使得周围产生电场集中并进一步促进后续的分子吸附在相同位置。随着分子在凸起的尖端处的不断吸附，最后就生成了纳米线。纳米线的高度由表面电场的强度决定。具体而言这一
【发明内容】
可以如下实施:
[0007]一种制备超细垂直取向纳米线的方法，具体步骤如下:
[0008](I)将需要生长纳米线的衬底放入真空室；
[0009](2)将步骤(I)中所述的真空室抽真空，控制真空室压强在I(T4-K)-6Pa ；
[0010](3)当步骤(2)中所述真空室达到所需真空度后，开启高能粒子束对衬底表面进行辐照；
[0011](4)待步骤(3)所述衬底表面形成电荷分布并形成一定强度的表面电场，所述表面电场强度大于lX104V/cm，小于衬底材料的破坏场强；之后通入源气体，通入气体后真空室内的压强在10_3-10_5Pa;
[0012](5)经过I秒-10分钟后完成纳米线生长，获得直径在5纳米以下的垂直取向的纳米线。
[0013]进一步的，步骤(4)中所述表面电场强度大于源气体可生长成垂直取向纳米线的临界场强。
[0014]进一步的，步骤(I)中所述衬底若为绝缘的衬底，可直接置入真空室；若为非绝缘的衬底，则应使用绝缘材料连接进行绝缘处理后，再置入真空室。
[0015]进一步的，步骤(3)中高能粒子束对衬底表面进行辐照，辐照的区域可为选定的特性区域。
[0016]进一步的，步骤(4)中所述源气体的材料为:丙烯酸、PEG、聚二烯丙基二甲基氯化铵、Fe (CO) 5、W(CO) 6、WF6、Pt (PF3) 4、D2GaN3或者(CH 3) 3CH3C5H4Pt。
[0017]有益效果
[0018]使用以上原理和过程制备纳米线结构具有如下优点:
[0019]1、可以大面积制备。只要是带电荷的表面，在表面电场较大的区域均可以实现纳米线的生长。
[0020]2、高精度，可定点。整个过程通过控制电子束的位置来进行，而目前比较好的电子束辐照系统其定位精度可以控制在亚纳米水平。因此，此方法可以实现高精度的定点制备。
[0021]3、无催化剂。整个过程中不需要使用催化剂。而目前制备纳米线的方法大多需要使用催化剂。这一方法减少了催化剂带来的可能的污染。
[0022]4、室温即可进行，无需高温，方便的制备工艺。目前比较多的纳米线制备需要使用高温条件，不利于节能和降低成本。
[0023]5、可以获得小尺寸的纳米线。使用本方法获得的纳米线直径一般在5纳米以下。
[0024]6、可以实现多种材料纳米线的制备。其可制备的材料仅仅取决于所使用的气源。只要有合适的气源就可以实现相应的纳米线材料的制备。
[0025]7、制备过程较快速。因为静电吸附过程一般比较快速，所以整个制备过程可以较迅速的完成。
[0026]8、纳米线完全垂直于衬底生长。纳米线具有完好的取向，不需要额外的过程。
[0027]9、使用含有金属气体有机物，基于本发明的原理均可以实现制备金属纳米线的制备。比如Me (CO) X类的化合物比如Fe (CO)5, W (CO)6,以及金属卤化物比如WF6,以及其他类似材料比如 Pt (PF3) 4) D2GaN3, (CH3)