米颗粒层的单晶金刚石样品置于反应离子刻蚀机的腔室中，背景真空度抽至1.0X10_3Pa。刻蚀时的氧气流量为40SCCm，刻蚀功率为200W，气压为8Pa，根据所需要的深度来选择具体的刻蚀时间。由于对氧化物不刻蚀，因此有了选择刻蚀性。图3展示的是旋涂有纳米颗粒层的单晶金刚石样品的刻蚀过程。图4展示的是刻蚀完成后纳米柱阵列的示意图。
[0034]c.采用湿法刻蚀或超声清洗方法，去除单晶金刚石衬底表面的纳米颗粒，即形成单晶金刚石纳米柱阵列结构。图5展示的是去除纳米颗粒后最终获得的单晶金刚石纳米柱阵列的主视图。
[0035]该制备方法中，纳米颗粒102为纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝或纳米二氧化钛中的任意一种，且纳米颗粒直径为1nm?3 μπι;纳米分散液103是将纳米颗粒102分散到酒精或者丙酮溶液中制备得到；单晶金刚石101为高温高压法制备的单晶金刚石或微波等离子体化学气相沉积法制备的单晶金刚石；在单晶金刚石衬底中，有不同的晶面(100)、晶面(111)等，在晶面处还可以存在倾斜角。
[0036]其中，湿法刻蚀的具体方法为:
[0037]I)采用能与纳米颗粒102反应的化学溶液，若纳米颗粒102为二氧化硅，则采用氟化氢溶液对其进行溶解；若纳米颗粒102为三氧化二铝，则采用盐酸对其进行溶解；若纳米颗粒102为二氧化钛，则采用热的浓硫酸对其进行溶解；
[0038]2)再对经步骤I)溶解后的单晶金刚石101依次采用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，以去除残留溶解物。
[0039]超声清洗的具体方法为:对单晶金刚石101表面直接依次采用丙酮、酒精和去离子水进行超声清洗，以去除纳米颗粒102。
[0040]二、本发明还提供了一种单晶金刚石纳米柱阵列结构在生成单晶金刚石薄膜中的应用，通过在单晶金刚石衬底表面的纳米柱上进行金刚石同质外延生长，并在纳米凹槽上横向生长，从而在单晶金刚石纳米柱阵列结构的衬底上生长出单晶金刚石薄膜106。
[0041]在单晶金刚石衬底完成纳米柱阵列制备之后，采用MPCVD生长方法，纳米柱表面生长出金刚石薄膜后，在该薄膜侧面进行横向生长，并最终于相邻的金刚石薄膜合并成连续膜，从而获得低位错、高质量的单晶金刚石薄膜106，如图6a、图6b和图6c所示，测定的横向生长速率约为5 μ m/h，纵向外延速率约为3 μ m/h。采用微波等离子体CVD设备来进行外延生长时，其生长条件为:功率3200W，H2/CH4 = 490sccm/10sccm，反应压强16kPa。
[0042]利用在单晶金刚石衬底上形成一层纳米颗粒102作为掩膜，然后采用氧等离子体刻蚀在单晶金刚石衬底，由于纳米颗粒102阻挡刻蚀的作用，使得对单晶金刚石101表面具有选择刻蚀作用，最终刻蚀并去除纳米颗粒102后，获得单晶金刚石纳米柱阵列，然后在该纳米结构基础上进行单晶金刚石的横向外延生长，获得高质量单晶金刚石薄膜106。由于纳米颗粒102分散均匀，且颗粒之间的间隙小，以纳米结构作为掩膜层，使得单晶金刚石衬底在刻蚀后的横向生长的速度加快。
[0043]本发明采用自组装工艺，对单晶金刚石衬底进行处理，获得单晶金刚石纳米柱阵列结构，再对其进行横向外延生长，获得高质量的单晶金刚石薄膜，可以有效的降低位错密度，改善单晶金刚石薄膜的生长质量。
【主权项】
1.单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： a.以单晶金刚石为衬底，将纳米分散液滴到单晶金刚石表面，通过旋涂的方法在单晶金刚石表面均勾分散； b.利用反应离子刻蚀技术，采用氧等离子体来刻蚀所述步骤a中分散有纳米颗粒的单晶金刚石； c.采用湿法刻蚀或超声清洗方法，去除单晶金刚石衬底表面的纳米颗粒，即形成单晶金刚石纳米柱阵列结构。
2.如权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述纳米颗粒为纳米二氧化娃、纳米三氧化二销或纳米二氧化钛中的任意一种，且所述纳米颗粒直径为IOnm?3 μπι。
3.如权利要求I或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米分散液是将纳米颗粒分散到酒精或者丙酮溶液中制备得到。
4.如权利要求I或2所述的制备方法，其特征在于，所述的单晶金刚石为高温高压法制备的单晶金刚石或微波等离子体化学气相沉积法制备的单晶金刚石。
5.如权利要求I或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a中旋涂的具体方法为：利用匀胶机在单晶金刚石表面均匀旋涂纳米分散液，通过调节分散液浓度和旋涂速度，以获得在金刚石衬底表面均匀紧密排列的单层纳米颗粒。
6.如权利要求I或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的刻蚀条件为：氧气40sccm，压强 8Pa，功率 200W。
7.如权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c中湿法刻蚀的具体方法为： 1)若纳米颗粒为二氧化硅，则采用氟化氢溶液对其进行溶解；若纳米颗粒为三氧化二铝，则采用盐酸对其进行溶解；若纳米颗粒为二氧化钛，则采用热的浓硫酸对其进行溶解； 2)再对经步骤I)溶解后的单晶金刚石依次采用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，以去除残留溶解物。
8.如权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c中超声清洗的具体方法为：对单晶金刚石表面直接依次采用丙酮、酒精和去离子水进行超声清洗，以去除纳米颗粒。
9.权利要求I至8中任意一项所述单晶金刚石纳米柱阵列结构在生成单晶金刚石薄膜中的应用，其特征在于，通过在单晶金刚石衬底表面的纳米柱上进行金刚石同质外延生长，并在纳米凹槽上横向生长，从而在单晶金刚石纳米柱阵列结构的衬底上生长出单晶金刚石薄膜。
【专利摘要】本发明公开了一种单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法，包括以下步骤：a.以单晶金刚石为衬底，将纳米分散液滴到单晶金刚石表面，通过旋涂的方法在单晶金刚石表面均匀分散；b.利用反应离子刻蚀技术，采用氧等离子体来刻蚀所述步骤a中分散有纳米颗粒的单晶金刚石；c.采用湿法刻蚀或超声清洗方法，去除单晶金刚石衬底表面的纳米颗粒，即形成单晶金刚石纳米柱阵列结构。本发明采用自组装工艺，对单晶金刚石衬底进行处理，获得单晶金刚石纳米柱阵列结构，再对其进行横向外延生长，获得高质量的单晶金刚石薄膜，可以有效的降低位错密度，改善单晶金刚石薄膜的生长质量。
【IPC分类】B82Y40-00, B81C1-00
【公开号】CN104724664
【申请号】CN201510112306
【发明人】王宏兴, 刘璋成, 李硕业, 王玮, 王菲, 李奉南, 张景文, 卜忍安, 侯洵
【申请人】王宏兴
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月14日