[發(fā)明專利]在半導(dǎo)體硅基底上催化生長ZnO納米線的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810037821.7
• 申請(qǐng)日: 2008-05-22
• 公開（公告）號(hào): CN101286453A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀英;高利聰;周利寅;諶小斑;張文飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/368
• 分類號(hào): H01L21/368;H01L31/18;B82B3/00
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體硅基底上利用過渡金屬的獨(dú)特催化作用和高分子網(wǎng)絡(luò)絡(luò)合效應(yīng)來促進(jìn)ZnO納米線自組裝生長的催化生長方法。屬半導(dǎo)體光電納米材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氧化鋅(ZnO)是重要的II-VI族直接躍遷的寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度Eg為3.37eV，激子束縛能可達(dá)60meV，比同類其它的半導(dǎo)體材料(如GaN：21meV，ZnSe：20meV)要高很多，是室溫?zé)犭x化能(26meV)的2.3倍，是新型的第三代光電半導(dǎo)體材料的典型代表，其優(yōu)異的光電特性，使其作為短波長發(fā)光器件，在紫外和藍(lán)紫波段發(fā)光二極管(LEDs)、激光發(fā)射器(LDs)、紫外光探測(cè)器、光信息存儲(chǔ)、光通信以及高性能光電顯示器件等光電領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛力，是當(dāng)前人們?cè)谖㈦娮宇I(lǐng)域最感興趣、研究最為活躍的領(lǐng)域之一。

特別是ZnO納米線，作為典型的一維納米材料，由于其結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特性——徑向尺寸納米量級(jí)而軸向尺寸微米量級(jí)，就像宏觀中的導(dǎo)線一般，所以當(dāng)利用其量子尺寸效應(yīng)時(shí)，使得被傳輸?shù)奈⒂^粒子(電子或光激子等)限制在一個(gè)方向上傳輸，因此這對(duì)于納米器件的功能和同一性非常重要。一維納米材料是發(fā)光二極管、激光器、傳感器以及介質(zhì)存儲(chǔ)器中尤其有用的結(jié)構(gòu)。這些準(zhǔn)一維納米材料是理想的研究電子輸運(yùn)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的尺寸和維度依賴關(guān)系的體系，同時(shí)也將作為納米連接和功能組元在納米電子、光電器件中發(fā)揮核心作用。它們具有極高的力學(xué)韌性、更高的發(fā)光效率、增強(qiáng)的熱電性能、更靈敏的氣敏性質(zhì)、更卓越的場(chǎng)發(fā)射性能、低的激光發(fā)射閾值等。利用準(zhǔn)一維半導(dǎo)體材料來組建電子器件，不但有可能突破目前在電路小型化上碰到的困難，而且由于納米線本身的優(yōu)良特性，其構(gòu)建的納米器件也將可能具有更好的性能。

相比于ZnO零維和二維納米材料，一維納米線的發(fā)展比較晚，這是由于一維納米材料特殊的結(jié)構(gòu)使得其制備工藝復(fù)雜，進(jìn)展緩慢。目前，ZnO納米線的制備方法大致有氣相法、液相法、模板法以及自組裝法。氣相法是人們應(yīng)用最為普遍、工藝最成熟的制備方法，但是高昂的成本和較嚴(yán)格的制備條件制約了其大規(guī)模的應(yīng)用與發(fā)展。液相法反應(yīng)條件相對(duì)溫和，設(shè)備簡單，但產(chǎn)物的組分較復(fù)雜、形貌(如納米線長度和徑向尺寸等)易受溶液環(huán)境(如pH值、濃度、溫度)的影響。模板法和自組裝法是隨后發(fā)展起來的工藝，由于模板和自組裝分子的網(wǎng)絡(luò)孔道作用，對(duì)納米線生長方向和尺寸可進(jìn)行調(diào)節(jié)，所制得的納米線形貌較好；但模板法中使用較多的是無機(jī)氧化物(如多孔氧化鋁模板)，模板的除去等后處理困難，會(huì)存留一定的雜質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種在半導(dǎo)體硅(Si)基底上利用過渡金屬的催化作用和高分子網(wǎng)絡(luò)絡(luò)合效應(yīng)來促進(jìn)ZnO納米線自組裝生長的催化生長方法。

本發(fā)明采用化學(xué)鍍鎳(Ni)工藝和高分子自組裝生長相結(jié)合的工藝方法。通過一定的工藝條件，并適當(dāng)控制反應(yīng)條件，在硅基底上得到形貌和性能良好的ZnO納米線薄膜。

本發(fā)明是一種在半導(dǎo)體硅基底上催化生長ZnO納米線的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟：

a、半導(dǎo)體硅基底單晶硅片的準(zhǔn)備：按傳統(tǒng)常規(guī)的方法將作為半導(dǎo)體硅基底的單晶硅片進(jìn)行酸洗、水洗、磨光，洗滌干凈干燥后待用；

b、硅基底的化學(xué)鍍鎳預(yù)處理：將摩爾比為1∶1的化學(xué)鍍鎳鹽和絡(luò)合劑混合配成絡(luò)合穩(wěn)定的鍍液，并調(diào)節(jié)pH值在9.0～11.0范圍內(nèi)；所述的化學(xué)鍍鎳鹽為硫酸鎳、硝酸鎳、氯化鎳中的任一種；所述的絡(luò)合劑為檸檬酸鈉；在反應(yīng)容器內(nèi)將混合溶液進(jìn)行加熱，加熱溫度選60～90℃，恒溫保持30～50分鐘；并在不斷攪拌條件下以5.0mL/min的速率滴加濃度為0.4～0.8mol/L的還原劑亞磷酸氫鈉，其加入量為化學(xué)鍍鎳鹽的4倍，即兩者的摩爾質(zhì)量比為4∶1；然后迅速放入事先準(zhǔn)備好的單晶硅片；在反應(yīng)過程中緩慢滴加入加速劑乙酸鈉溶液，并適時(shí)補(bǔ)充OH^-，以提高鍍速；然后取出己鍍覆的硅片，經(jīng)浸洗后室溫放置；

c、ZnO納米線的生長：將一定濃度的可溶性鋅鹽與高分子聚丙烯酰胺亞濃水溶液混合，調(diào)節(jié)該混合溶液的pH值至11.0～12.0；然后將經(jīng)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的硅基底單晶硅片投入該混合液中，在常壓加熱條件下使其反應(yīng)，加熱溫度范圍為60～100℃，常壓下反應(yīng)時(shí)間為2～6小時(shí)；取出硅片，在150℃溫度下熱處理0.5～2.0小時(shí)，然后室溫固化；最終得到生長有白色ZnO納米線薄膜的硅片。

本發(fā)明方法的理論依據(jù)和機(jī)理

1、硅基底上的化學(xué)鍍Ni的機(jī)理和作用