一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法技术

本发明专利技术提供一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，包括如下步骤：1)Si/SiO2衬底经过净化处理后，在表面滴撒金颗粒水溶液，再使水分完全挥发；2)将步骤1)处理过的Si/SiO2衬底和一种Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末分开置于同一硬玻璃管中加热并排气，然后冷却，密封；3)将步骤2)处理过的硬玻璃管通过加热装置高温加热，然后降温获得Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线。本制备方法使得纳米线的制备过程更加简化，具有通用性，降低了制备成本，能够将制备完成的纳米线直接保存在真空环境中，防止因接触空气而氧化，大大提高了纳米线制备的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料制备
，具体为一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法。
技术介绍
1、Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线Ⅲ-Ⅴ族半导体材料主要包括InSb、InAs、GaSb、GaAs等。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料属于直接带隙材料，且禁带宽度比较窄，在300K时，InSb为0.17eV，InAs为0.35eV,GaSb为0.7eV，GaAs为1.4eV，为远红外及近红外探测器的发展提供了可能。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料有很大的电子和空穴迁移率以及比较小的有效电子质量，是一类制造高速半导体器件以及量子器件的优良材料。由于其特殊的性质，Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线现已经应用于电子场效应晶体管、光电探测器、太阳能电池、发光二极管、气体探测器等多个应用领域，有着非常广泛的应用前景。2、气-液-固生长机制(Vapor-Liquid-SolidMechanism,VLS)气液固生长机制是一种用于生长一维纳米材料的方法,最早由Wanger于1967年在《应用物理快报》(AppliedPhysicsLetters,APL)上报道。最初VLS机制用于介绍在硅衬底上生长硅纳米线。在干净的硅表面镀上纳米级的金膜，通过高温退火使得金膜成为一个个纳米级的金颗粒。在氢气的载气作用下通入前驱物四氯化硅，在腔室中，四氯化硅与氢气发生化学反应，生成单质硅和氯化氢。由于反应在气氛中进行，生成的硅物质将沉积在硅衬底表面。而金和硅可以互溶，形成金硅的合金物质。在衬底上的金颗粒吸收足量的硅，达到饱和，在相图的作用下可知，硅会从母相中析出，在硅衬底表面按照其晶格结构外延生长出硅纳米线。因为物质的输运经历过气体到液体到固体，三相的转变过程，所以该机制被成为气液固生长机制。在众多的纳米线材料制备中，大部分自下而上的生长方式都被认为是VLS机制的催化作用，使用VLS机制可以根据相图来控制一维纳米材料的合成。在VLS生长机制中，催化颗粒的大小限定了一维纳米材料的径向尺度，让其只能朝着一个维度进行生长，形成纳米线结构。在VLS机制的基础上，有研究表明，在催化颗粒为固体时，也可以进行纳米线材料的制备，气固固生长机制(Vapor-Solid-SolidMechanism,VSS)由瑞典隆德大学(LundUniversity)在扫描透射电子显微镜中实时观测到，成为气固液生长机制的一种衍生。3、纳米线主要生长装置化学气相沉积方法(Chemicalvapordeposition，CVD)是一种用来制备薄膜、纳米材料的常用方法。在载气的驱动下，将气体或者固体的前驱物带入沉积区域，在表面催化剂或活性剂的作用下，形成一定的薄膜或者纳米结构，实现材料的制备。现如今化学气相沉积是一种较为廉价的材料生长方式，在此基础上，将化学气相沉积的前驱物替换成金属有机物，并对控制单元及生长腔室进行改进，演化成的金属有机物化学沉积(MetalorganicChemicalvapordeposition，MOCVD)方法被广泛应用于Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备。瑞典隆德大学使用MOCVD在砷化铟的单晶衬底上制备出了InAs纳米线，并基于InAs纳米线通过更换Ⅴ族有机金属源的方法，成功制备出了高品质的InAs/InSb异质结构。分子束外延(Molecularbeamepitaxy，MBE)最早也是用来制备薄膜材料的一种方式。在高真空腔室中，加热所需组分而产生蒸汽，形成分子或原子束后直接喷射在衬底上，实现薄膜或纳米材料的生长。其特点在于，可以通过控制实现低速率生长；有超高的真空环境，最大限度的避免污染；且生长衬底可以在较低温环境中，避免在高温下引入晶格失配。在MBE的基础上，通过将MOCVD中的有机金属源与MBE的优势相结合，人们专利技术了化学束外延(Chemicalbeamepitaxy，CBE)，通过热裂解器加热金属有机源，喷射到衬底上，可以实现对束流量更好的控制。以上四种方面目前已经应用于Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长，但由于其设备昂贵，维护困难，单次生长造价不菲，一直主要用于实验室研究。
技术实现思路
为克服上述不足，本专利技术提供一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，使得纳米线的制备过程更加简化，具有通用性，降低了制备成本，能够将制备完成的纳米线直接保存在真空环境中，防止因接触空气而氧化，大大提高了纳米线制备的可靠性。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，包括如下步骤：1)Si/SiO2衬底经过净化处理后，在表面滴撒金颗粒水溶液，再使水分完全挥发；2)将步骤1)处理过的Si/SiO2衬底和一种Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末分开置于同一硬玻璃管中加热并排气，然后冷却，密封；3)将步骤2)处理过的硬玻璃管通过加热装置高温加热，然后降温获得Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线。进一步地，所述Si/SiO2衬底的净化处理方法是，将该Si/SiO2衬底依次浸入丙酮、乙醇中分别超声至少5分钟，再用去离子水冲洗，取出后用氮气或其它不反应气体吹干。进一步地，所述金颗粒的大小为10nm，密度为1000ppm。进一步地，所述步骤2)中，将Si/SiO2衬底置于一石英管中，再将石英管置于所述硬玻璃管内；将Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末直接置于所述硬玻璃管中，或先置于一硬玻璃小管中，再将该硬玻璃小管置于所述硬玻璃管内。进一步地，所述Si/SiO2衬底的宽度与石英管内径相等，长度小于石英管长度。进一步地，所述石英管尺寸为：外径8mm，内径6mm，长度2cm；所述硬玻璃小管尺寸为：外径8mm，内径6mm，长度2cm；所述硬玻璃管尺寸为：外径12mm，内径8.5mm，长度20cm；所述Si/SiO2衬底的尺寸为：6mm×6mm。进一步地，所述步骤2)中，所述硬玻璃管出口通过两端开口的过渡玻璃管连接一真空抽气系统，于不高于300℃的烘箱中进行烘烤并排气至少4小时，然后抽成真空，真空度为1×10-4Pa，再对硬玻璃管加热软化以密封出口。进一步地，所述真空抽气系统包括机械泵和扩散泵。进一步地，所述加热装置为管式炉，在高温加热状态下对该管式炉抽取真空，并通入氮气或其它不反应气体100sccm，保持炉腔内真空度为1KPa，持续至少5分钟后再自然降温，所述高温的温度值根据不同的Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末采用不同的特定温度。进一步地，所述Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末为InAs、GaAs和GaSb粉末。一种新型硬玻璃管，用于上述制备方法，包括两条支管，底部封闭，顶部连通并共连同一出口；支管一设有一带有孔洞的锥形玻璃隔板，该支管底部盛放Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末；支管二设有一石英管和一玻璃漏斗，所述石英管盛放Si/SiO2衬底，底部封闭并通过玻璃棒与该支管底部固接；所述玻璃漏斗大口与支管二的内壁连接，小口深入石英管内部。本专利技术的有益效果是，该制备方法采用Si/SiO2片作衬底，适用于制备不同的Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线，将硬玻璃管作为生长装置，其在加热时开始软化，抽气一段时间后冷却，因管内压力降低而塌缩密封出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ⅲ‑Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，包括如下步骤：1)Si/SiO2衬底经过净化处理后，在表面滴撒金颗粒水溶液，再使水分完全挥发；2)将步骤1)处理过的Si/SiO2衬底和一种Ⅲ‑Ⅴ族半导体粉末分开置于同一硬玻璃管中加热并排气，然后冷却，密封；3)将步骤2)处理过的硬玻璃管通过加热装置高温加热，然后降温获得Ⅲ‑Ⅴ族半导体纳米线。

【技术特征摘要】
1.一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，包括如下步骤：
1)Si/SiO2衬底经过净化处理后，在表面滴撒金颗粒水溶液，再使水分完全挥发；
2)将步骤1)处理过的Si/SiO2衬底和一种Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末分开置于同一硬玻璃管中
加热并排气，然后冷却，密封；
3)将步骤2)处理过的硬玻璃管通过加热装置高温加热，然后降温获得Ⅲ-Ⅴ族半导体纳
米线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si/SiO2衬底的净化处理方法是，将该
Si/SiO2衬底依次浸入丙酮、乙醇中分别超声至少5分钟，再用去离子水冲洗，取出后用氮气
吹干。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金颗粒的大小为10nm，密度为1000ppm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，将Si/SiO2衬底置于一石
英管中，再将石英管置于所述硬玻璃管内；将Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末直接置于所述硬玻璃管中，
或先置于一硬玻璃小管中，再将该硬玻璃小管置于所述硬玻璃管内。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述Si/SiO2衬底的宽度与石英...

【专利技术属性】
技术研发人员：李侃，邢英杰，徐洪起，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11