专利名称：一种用于在单纳米线上制备电极的方法
技术领域：
本发明涉及纳米光电子学、微纳传感技术、微电子学和微纳加工以及一维纳米材料的合成和制备等前沿研究领域，具体涉及一种用于在单纳米线上制备电极的方法。
背景技术：
纳米线是径向尺寸为纳米级，而长度方向没有限制的一维纳米结构。作为一种重要的纳米材料，从发现到现在虽然只有不到二十年的时间，但由于其在生化、力学、电磁、以及光电子方面所表现出的特殊性能，而在各领域得到了广泛关注。2001年，((Nature))杂志报道了美国加州伯克利大学杨培东小组研制出世界上最小的，基于ZnO纳米线的室温紫外激光器，表现出了良好的激光性能。2006年《Science》杂志报道了美国佐治亚理工学院的王中林教授利用ZnO纳米线的压电效应发明的纳米发电机，能够将周围的一些微小振动转化为电能，为能源系统微型化和一些无源纳米器件的应用提供了理想的电源系统。2009年《Nature》杂质报道了美国的Lieber教授小组发明的纳米线处理器，该处理器基于Ge/Si纳米线FET，并实现了集成电路中的加法器、减法器、乘法器、除法器和D触发器的功能。纳米线器件具有如此多优异的性能，但是要实现纳米线电接触存在诸多难题，这不但制约了对其性能的进一步研究发掘，也阻碍了纳米线器件的发展和应用。当前实现纳米线电接触的主要方法是利用聚焦离子束(FIB)的焊接技术，基于电子束曝光的纳米光刻技术，以及使用交流介电泳对纳米线进行排列的技术。基于电子束曝光的纳米光刻技术得到了广泛的关注，但是该工艺往往将纳米线随机分散在基底上，并无任何固定措施，所以在后续的工艺中，纳米线经常会由于种种原因而移动或脱离，这使得使用该方法制备纳米线电极的成功率大为降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电子束曝光工艺的用于在单纳米线上制备电极的方法。为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。该制备电极的方法包括以下步骤:将纳米线分散在绝缘基底上，然后在绝缘基底上覆盖一层纳米级的Al薄膜作为导电层和纳米线的覆盖层，然后在Al薄膜上旋涂电子束光刻胶(PMMA，分子量950k)，根据绝缘基底上纳米线的位置对旋涂的电子束光刻胶进行光刻显影、坚膜得到电极的光刻胶图案，然后湿法刻蚀Al薄膜形成底切窗口，然后沉积金属并对沉积在电子束光刻胶上的金属进行剥离，然后腐蚀去除Al薄膜。Al薄膜同时作为电子束光刻的导电层，剥离工艺的底切层以及保护和固定纳米线的保护层，能够显著提高单纳米线电极的制备成功率。将纳米线超声分散在溶剂中得悬浊液，将悬浊液滴加至绝缘基底上，然后将绝缘基底上的溶剂通过烘烤蒸干，使纳米线分散在绝缘基底上。由于范德华力的作用，纳米线会吸附到基底上，不易脱落。
所述Al薄膜采用溅射沉积获得，厚度为150-500纳米。作为电子束曝光的导电层、固定纳米线的保护层和后续剥离工艺的底切层使用。所述坚膜在热板上进行，热板温度为100-110°C，坚膜时间为10-25分钟。去除光刻胶中残留的溶剂，增加胶层与Al层的结合性能，在后续刻蚀中起到良好的屏蔽作用，避免不可控的钻蚀出现。所述湿法刻蚀Al薄膜使用的刻蚀液为0.05-0.3mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液，刻蚀时间为60-300秒，刻蚀温度为17-25°C。利用Al薄膜的各向同性刻蚀特点，在PMMA光刻胶图案窗口下刻蚀出Al薄膜底切结构，底切结构可以确保成功剥离电子束光刻胶上的沉积金属。刻蚀时间根据刻蚀液浓度和刻蚀温度而定，刻蚀液浓度和刻蚀温度越高，刻蚀速度越高，但刻蚀形状越难控制。所述沉积金属的厚度不超过180纳米。作为最终器件的电极材料。所述制备电极的方法具体包括以下步骤:I)将CdS纳米线超声分散在溶剂中得纳米线的悬浊液；2)将绝缘基底清洗干净后加热到90°C，然后在绝缘基底上滴几滴悬浊液，溶剂蒸发除去后CdS纳米线分散在基底上；3)在分散有CdS纳米线的绝缘基底上溅射沉积200nm厚的Al薄膜；4)在Al薄膜上旋涂500nm厚的电子束光刻胶(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)；5)经过步骤4)后，在电子束曝光机下对覆盖在Al薄膜下的CdS纳米线进行定位，然后进行光刻显影、坚膜；6)经过步骤5)后，使用0.lmol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液刻蚀Al薄膜150秒,刻蚀温度为23°C,然后用去离子水反复冲洗,冲洗后使用氮气吹干，吹干后在热板上于100°C烘烤10分钟；7)经过步骤6)后，依次溅射沉积厚度为25nm的Ti以及厚度为150nm的Pd得电极金属薄膜，然后在丙酮中剥离沉积在电子束光刻胶上的电极金属薄膜，留下所需的电极图案，然后使用所述四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液刻蚀去除绝缘基底上剩余的Al薄膜，得到制备于CdS纳米线上的电极；8)经过步骤7)后，用去离子水冲电极，冲洗后用氮气吹干，然后加热去除水分。本发明的有益效果体现在: 本发明用来在一维纳米结构的特定位置上制备电极进行电接触，主要通过纳米线的转移、分散，电子束光刻套刻和纳米薄膜沉积等微纳米制造工艺实现；本发明的主要特点是使用Al薄膜作为电子束光刻的导电层、纳米线的保护层以及剥离工艺的底切层，使用本发明所述方法能够显著提高电极与纳米线的对准精度和制备成功率；本发明所述方法可用于制备单纳米线太阳能电池、光电探测器、发光二极管、激光器以及传感器等。
图1是本发明使用Al作为剥离工艺底切层的示意图；图2是本发明制备的双电极结构光镜图；图3是本发明的流程图；图4是本发明所制备电极的结构示意图5是本发明所制备电极的伏安特性图；图中:1为金属沉积层，2为PMMA电子束光刻胶，3为Al薄膜，4为绝缘基底，5为底切窗口，6为纳米线，7为电极。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1-图4，具体包括以下步骤:I)将CdS纳米线超声分散在异丙醇(IPA)中，超声功率60W、时间为2分钟，形成纳米线的悬浊液。纳米线分散所用溶剂不限于IPA，只要不与纳米线反应，且能形成稳定纳米线悬浊液的溶剂皆可。本发明中所提到的纳米线并不限于特定材料，只要能用于该工艺的纳米线皆可。2)清洗绝缘基底:绝缘基底采用覆盖有300nm厚氮化硅薄膜的玻璃衬底，将绝缘基底按照丙酮、乙醇、去离子水的顺序各超声清洗10分钟，清洗后使用N2吹干，并在80°C热板上烘烤20分钟，去除表面水汽。3)将绝缘基底清洗干净后加热到90°C，然后将制备好的悬浊液在绝缘基底上滴上数滴，具体实施过程中滴数根据所配置悬浊液的浓度(500个/ml)和实验需要而定，本发明使用0.2ml/cm2,待IPA蒸发干净后，将热板温度提升至100°C，并烘烤30min，去除残余IPA，使CdS纳米线分散在绝缘基底上。所述绝缘基底不限于覆盖有氮化硅的玻璃基底，只要能满足器件要求，且能用于该工艺的基底皆可，如覆盖有一定厚度氮化硅或二氧化硅的硅片
坐寸ο4)溅射Al以及匀胶:在分散有CdS纳米线的绝缘基底上直流磁控溅射200nm厚的金属Al薄膜，然后在Al薄膜上旋涂500nm厚、950k分子量的PMMA电子束光刻胶。实际操作过程中，Al薄膜厚度根据电极厚度的需要而定，Al薄膜应比电极薄膜厚度厚至少1/4左右。而PMMA电子束光刻胶的厚度不宜小于lOOnm，避免在纳米线定位过程中，将其曝光。5)电子束光刻:首先在SEM模式下寻找到需要制备电极的纳米线，然后将SEM调整到尽量高的放大倍数，并进行定位，然后进行曝光，曝光剂量为120 μ C/cm2。使用MIBK (甲基异丁酮):IPA=1:3 (体积比)显影液显影l_2min、IPA定影30s、N2吹干。然后在110°C热板上或者110°C恒温干燥箱中烘20分钟。本步骤中的电子束曝光参数和后续显影后烘干参数根据实际的设备和光刻胶而定。6)腐蚀Al:由于多数纳米线会与酸性刻蚀液反应，故本发明采用0.lmol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液进行湿法刻蚀Al，刻蚀温度23°C，刻蚀Al薄膜时间为150秒，然后用去离子水反复冲洗，冲洗后使用氮气吹干，吹干后在热板上于100°C烘烤10分钟；由于刻蚀呈各向同性，所以会形成一定程度的钻蚀，这样能够形成“凸”形光刻窗口，明显简化了后续的金属剥离工艺。采用刻蚀液浓度为0.lmol/L的TMAH水溶液，只是为了避免刻蚀液与纳米线反应。实际刻蚀时只要求刻蚀液不与纳米线反应，同时能刻蚀Al，并能形成较好的钻蚀底切结构。7)溅射电极、剥离以及去除Al:先后溅射25nm Ti和150nm Pd，之后在丙酮中剥离，得到所需电极图形。然后使用上一步的刻蚀液将绝缘基底上剩余的Al去除掉，便得到最终所需的纳米线电极图案。溅射材料的种类应根据需要而定，但该溅射电极材料需要不被最后腐蚀去除Al的刻蚀液所破坏。8)经过步骤7)后，用去离子水冲电极图案，冲洗后用氮气吹干，然后加热去除水分。图5给出了上述步骤所制备器件的1-V特性图，使用吉时利4200SCS半导体特性分析仪进行测量，当加在两电极上偏压达到6V时，通过器件的电流达到ΙΟΟηΑ，器件导电性良好。
权利要求
1.一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:该制备电极的方法包括以下步骤:将纳米线分散在绝缘基底上，然后在绝缘基底上覆盖一层纳米级的Al薄膜作为导电层和纳米线的覆盖层，然后在Al薄膜上旋涂电子束光刻胶，根据绝缘基底上纳米线的位置对旋涂的电子束光刻胶进行光刻显影、坚膜得到电极的光刻胶图案，然后湿法刻蚀Al薄膜形成底切窗口，然后沉积金属并对沉积在电子束光刻胶上的金属进行剥离，然后腐蚀去除Al薄膜。
2.根据权利要求1所述一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:将纳米线超声分散在溶剂中得悬浊液，将悬浊液滴加至绝缘基底上，然后将绝缘基底上的溶剂通过烘烤蒸干，使纳米线分散在绝缘基底上。
3.根据权利要求1所述一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:所述Al薄膜采用溅射沉积获得，厚度为150-500纳米。
4.根据权利要求1所述一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:所述坚膜在热板上进行，热板温度为100-110°C，坚膜时间为10-25分钟。
5.根据权利要求1所述一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:所述湿法刻蚀Al薄膜使用的刻蚀液为0.05-0.3mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液，刻蚀时间为60-300秒，刻蚀温度为17-25°C。
6.根据权利要求1所述一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:所述沉积金属的厚度不超过180纳米。
7.根据权利要求1所述一种用于在单纳米线上制备电极的方法，其特征在于:所述制备电极的方法具体包括以下步骤:1)将CdS纳米线超声分散在溶剂中得纳米线的悬浊液；2)将绝缘基底清洗干净后加热到90°C，然后在绝缘基底上滴几滴悬浊液，溶剂蒸发除去后CdS纳米线分散在基底上；3)在分散有CdS纳米线的绝缘基底上溅射沉积200nm厚的Al薄膜；4)在Al薄膜上旋涂500nm厚的电子束光刻胶；5)经过步骤4)后，在电子束曝光机下对覆盖在Al薄膜下的CdS纳米线进行定位，然后进行光刻显影、坚膜；6)经过步骤5)后，使用0.lmol/L的四甲基氢氧化铵水溶液刻蚀Al薄膜150秒，刻蚀温度为23°C，然后用去离子水冲洗，冲洗后使用氮气吹干，吹干后在热板上于100°C烘烤10分钟；7)经过步骤6)后，依次溅射沉积厚度为25nm的Ti以及厚度为150nm的Pd得电极金属薄膜，然后在丙酮中剥离沉积在电子束光刻胶上的电极金属薄膜，然后使用所述四甲基氢氧化铵水溶液刻蚀去除绝缘基底上剩余的Al薄膜，得到制备于CdS纳米线上的电极。
全文摘要
本发明公开一种用于在单纳米线上制备电极的方法，该方法用来在纳米线的特定位置上制备电极实现电接触，主要通过纳米线的转移、分散，电子束光刻套刻和纳米薄膜沉积等微纳米制造工艺实现，本发明方法的主要特点是使用Al薄膜作为电子束光刻的导电层和纳米线的保护层以及剥离工艺的底切层，使用该方法能够显著提高电极与纳米线的对准精度和制备成功率，该方法可用于制备单纳米线太阳能电池、光电探测器、发光二极管、激光器以及传感器等。
文档编号H01L21/44GK103077888SQ20131001166
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者杨树明, 李磊, 韩枫, 胡庆杰, 蒋庄德 申请人:西安交通大学