[發明專利]一種交叉納米纖維P-N異質結陣列的制備方法

有效

• 申請號: 201410140100.4
• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103943778A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 龍云澤;陳帥;盛琛皓;韓文鵬;董瑞華;張紅娣
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: H01L51/40
• 分類號: H01L51/40;H01L51/48
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 張世功

技術領域：

本發明屬于交叉納米纖維制備技術領域，特別涉及一種精確、快速組裝納米纖維交叉結構P-N異質結陣列的方法，特別是一種交叉納米纖維P-N異質結陣列的制備方法。

背景技術：

納米技術在電子器件中的應用即微納電子學已逐漸成為目前納米科技研究的熱點之一，根據文獻報道，目前科研人員已經制備出了基于零維納米顆粒（例如單個有機分子、量子點、C₆₀）、一維納米纖維（例如單根碳納米管、有機或無機半導體納米纖維/納米管）、二維納米薄膜（例如石墨烯）的多種納米器件（例如二極管、三極管、傳感器等），特別是一維納米纖維/納米管為能夠有效傳輸電荷的最小維度結構，同時擔當導線和器件單元的角色。由于P-N結是構筑復雜半導體器件的基礎，除構建基于單根納米纖維以及同質材料納米纖維陣列的電子器件，科研人員也致力于組裝不同材料構成的納米纖維P-N異質結，納米纖維P-N異質結主要有三種：一是軸向結構，即納米纖維的一端是P型的，另一端是N型的；二是徑向結構，即P（或N）型納米纖維的外面包裹著一層N型（或P）半導體，構成同軸復合納米纖維；三是交叉結構，P型和N型納米纖維交叉形成。以納米纖維交叉結構P-N異質結為例，不同類型納米纖維形成交叉結構往往可以表現出同質材料所不具備的獨特電學、光學和化學性質，例如美國哈佛大學Lieber課題組[Nature409,66(2001);Science291,851(2001);Science294,1313(2001)]利用流體定向組裝、電場定向組裝等技術自下而上組裝了多種交叉結構P-N異質結納米線（P型Si納米線，N型InP、GaN、CdS和CdSe納米線）器件和電路，例如納米發光二極管[Small1,142(2005)]、交叉納米線場效應晶體管、納米邏輯門、納米計算機[www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1323818111]等；除常見的無機半導體納米線，也可用有機晶體納米線構建交叉結構P-N異質結電子邏輯電路[Advanced?Materials21,4234(2009)]。盡管納米纖維交叉結構P-N異質結更容易加工成納米發光二極管、整流二極管、場效應晶體管等單個納米器件，并比較容易組裝形成簡單的邏輯電子電路（例如“與”門、“或”門、“非”門等），在復雜的納米電子器件方面更有應用前景，但是由于單個納米纖維交叉結構P-N異質結器件離實用化的納米電子電路還有相當的距離，如何將單個P-N異質結納米器件大規模、精確、有序組裝起來實現功能電路依然是一個挑戰。目前組裝納米纖維交叉結構P-N異質結的方法包括微流體定向組裝、電場或磁場輔助組裝、L-B膜技術、微探針和光鑷技術，這些組裝方法存在組裝效率低、不能精確控制的問題。此外，中國專利（專利號：ZL201010184093.X）公開了一種定向電化學沉積法原位制備導電聚合物納米線交叉結構異質結，該方法效率較低，難以規模化制備。

靜電紡絲是一種簡單有效、利用靜電場較大規模制備均勻、連續的超細纖維的技術，通過對傳統靜電紡絲裝置進行改進，可以對制備的電紡纖維的形貌結構進行調控，例如，申請人提出的離心靜電紡絲裝置（專利號：ZL201010184068.1）和雙框架收集靜電紡絲裝置（專利號：ZL201110137420.0）可以制備有序排列結構、交叉結構、螺旋纏繞結構等電紡纖維。雖然上述改進的電紡裝置可以快速組裝交叉結構纖維，由于紡絲頭和收集板的距離較遠（幾厘米至十幾厘米），納米纖維在收集板上的沉積位置、沉積纖維的根數、平行纖維之間的距離、交叉納米纖維的角度等還不能精確控制。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種利用三維可調的低壓近場原位靜電紡絲技術精確、快速地制備交叉納米纖維P-N異質結陣列的方法，可原位組裝有機—有機、有機—無機、無機—無機多種材料的納米纖維交叉結構異質結，推動導電聚合物、有機晶體、金屬和無機半導體等納米纖維異質結納米器件和電子邏輯電路的發展。

為了實現上述目的，本發明在三維可調低壓近場原位靜電紡絲裝置中實現，其具體制備過程為：

（1）、ZnO紡絲前驅體溶液配制：將8.5克無水乙醇和1.5克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在室溫下混合攪拌2-4小時，獲得均質透明的15wt%PVP溶液；再將1.0克醋酸鋅、2.0克無水乙醇、0.2克蒸餾水混合加熱至60-80℃攪拌8-12分鐘得到混合溶液，固體完全溶解后將混合溶液全部轉移到已配制好的15wt%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液中，在室溫下攪拌50-70分鐘使兩種溶液充分混合，即獲得ZnO紡絲前驅體溶液；