一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，制备砷化铟衬底层；采用金刚石纳米颗粒制备所需尺寸的石墨烯纳米管，将制得的石墨烯纳米管纵向放置在衬底层上，并在衬底层上沉积银作为催化剂；将石墨烯纳米管和衬底层快速转移到MBE反应器的加载室中，开始催化制备砷化铟纳米线；砷化铟分子沿着石墨烯纳米管内壁径向生长，控制砷化铟分子的生长时间，即可制得含有砷化铟纳米线或二维层状结构的石墨烯纳米管；将处理后的石墨烯纳米管经过热处理，得到沿纵轴打开的石墨烯纳米管，分离获得纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构。本发明专利技术的制备方法可高效制备性能更佳的砷化铟纳米线或二维层状结构，降低生产成本。低生产成本。低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料
，尤其涉及一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法。

技术介绍

[0002]纳米材料是当今世界研究的热点，因其结构的特殊性，在纳米光电子器件方面得到广泛的应用。III
‑
V族半导体材料具有直接带隙、电子迁移率高、有效质量小等优点，具有优异的电学和光学性能，使得III
‑
V族材料制得的纳米线成为制备电子器件和光电子器件的一种理想材料。砷化铟(InAs)是一种重要的窄禁带半导体材料，具有电子迁移率高和有效质量低等特征，由砷化铟制得的纳米线兼具有InAs材料和低维纳米材料的特点。因此，砷化铟纳米线是制备单电子晶体管、共振隧穿二极管及弹道输运晶体管的理想材料，具有巨大的应用价值和科学意义。
[0003]由于对纳米线器件的研究越来越广泛，对纳米线本身质量的要求越来越高，精确的尺寸控制、晶格取向、相的纯度以及均匀组分都是纳米线制备的关键因素。纳米线的形貌尺寸非常重要；首先，在纳米尺度内，尺寸的微小变化对器件的整体性能而言可能产生巨大的影响；其次，很多器件的性能与纳米线的直径有着重要的依赖关系；最后，半导体的晶体结构直接决定了能带结构，不同的晶体结构的纤锌矿结构(WZ)或者闪锌矿结构(ZB)直接影响着器件中载流子的特性。因此，对纳米线长度、直径和晶体结构的控制十分重要，小尺寸及纤锌矿结构的纳米线制备的器件性能优异。
[0004]目前，纳米线的制备方法可以分为两个大类：自上而下(top
‑
down)和自下而上(bottom
‑
up)。自上而下的生长机制是利用平板压印技术将砷化铟三维体材料刻成一维纳米线的方法，然而，随着器件尺寸不断的减小，控制纳米线的尺寸以及生长方向愈发困难，自上而下的制备方法由于其光刻技术以及刻蚀技术的分辨率是有限制的，因此很难满足小尺寸纳米结构的制备；同时，自上而下的生长机制制备纳米线存在浪费材料的问题。自下而上的生长机制是将铟原子和砷原子通过弱的相互作用在纳米尺度上自组装构成纳米线，这种合成机制可以合成较为精细的结构，同时也可以根据需求控制生长的砷化铟纳米线的长度、直径以及晶体结构。所以，自下而上的制备方法可以设计、架构更加复杂的纳米结构器件，这一制备方法的提出推动了纳米结构器件的发展。
[0005]为了充分利用砷化铟纳米线的优异物理性能，在实际器件应用中控制晶体结构是一个先决条件，因为晶体结构在很大程度上决定了电学和光学性能。如图2所示，传统情况下制备砷化铟纳米线时，砷化铟纳米线的晶体结构从具有少量(堆垛层错(SF) +孪生平面(TP))的WZ和WZ/ZB逐渐演变为生长方向具有高密度(SF+TP)的(WZ+ZB)混合物，该种情况下出现的孪晶、堆叠无序和多型性的非均匀相，会引起载流子和声子的散射问题，甚至严重影响器件的正常工作。砷化铟的二维层状结构也可使载流子有效俘获态的降低，因此，为保证纳米结构器件性能优良的一个重要标准是：砷化铟纳米线为纯纤锌矿晶相且存在二维层状
结构。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，以解决砷化铟纳米线或二维层状结构的制备问题。
[0007]技术方案：本专利技术所述的一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：制备衬底层；步骤S2：采用金刚石纳米颗粒制备所需尺寸的石墨烯纳米管，将制得的石墨烯纳米管纵向放置在步骤S1制得的衬底层上；步骤S3：在石墨烯纳米管下方的衬底层上沉积厚度为0.5
‑
1.5 nm的Ag液滴作为催化剂；步骤S4：将石墨烯纳米管和衬底层快速转移到MBE反应器的加载室中，打开反应器，开始催化制备砷化铟纳米线；步骤S5：砷化铟分子沿着石墨烯纳米管内壁径向生长，控制砷化铟分子的生长时间，制得纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构，然后关闭MBE反应器；步骤S6：将步骤S5处理完的石墨烯纳米管经过热处理，得到沿纵轴打开的石墨烯纳米管，分离获得纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构。
[0008]优选的，步骤S1的具体制备步骤如下：步骤S
11
：准备所需尺寸的砷化铟层作为衬底层；步骤S
12
：将衬底层采用标准湿法蚀刻方法使用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水的进行化学清洗；步骤S
13
：使用氢氟酸溶液对衬底层进行脱氧处理；其中，氢氟酸溶液浓度为：氢氟酸:去离子水=1:20。
[0009]优选的，步骤S2的具体制备步骤如下：步骤S
21
：将0.02
‑
0.04 g的5
‑
10 nm的金刚石纳米颗粒分散在150
‑
250 ml的无水乙醇中，制得金刚石悬浮液；步骤S
22
：将厚度为45
‑
55 nm的SiO2衬底板放置在金刚石悬浮液中浸泡10
‑
30 min；步骤S
23
：待衬底板干燥后，将衬底板放置在卧式电阻炉的石英管中，在氩气气氛下加热升温到800
‑
1000 ℃，进行金刚石纳米颗粒的裂解；步骤S
24
：通入900
‑
1100 ml/min的甲烷和90
‑
110ml/min的氢气，生成碳原子或碳蔟；反应45
‑
70 min后关闭甲烷和氢气，将电炉的石英管在氩气气氛下冷却到室温，碳原子或碳蔟在SiO2衬底板上聚集形成石墨烯纳米管。
[0010]优选的，步骤S6的具体步骤如下：步骤S
61
：将步骤S5处理后的石墨烯纳米管放入感应炉中，在温度600
‑
800 ℃条件下进行热处理；步骤S
62
：持续进行热处理50
‑
70 min后，向感应炉中通入90
‑
110 sccm的氮气，使得石墨烯纳米管快速冷却；步骤S
63
：使用透射电子显微镜观察热处理后的石墨烯纳米管是否被成功打开，如
未成功打开，重复步骤S
61
、S
62
，得到沿着轴向打开的石墨烯纳米管。
[0011]优选的，包括除去催化剂银的步骤S7，具体步骤如下：步骤S
71
：用150
‑
250 ml的无水乙醇将步骤S6中制得的砷化铟纳米线或二维层状结构清洗干净，重复清洗两次，以去除砷化铟纳米线或二维层状结构表面残留的杂质和污染物；步骤S
72
：将砷化铟纳米线或二维层状结构转移到烧杯中，加入3
‑
5 mol硝酸和1
‑
2 mol氢氟酸的混合溶液，浸泡10
‑
30 min，使得Ag催化剂被化学腐蚀并溶解；步骤S
73
：将砷化铟纳米线或二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：制备衬底层（1）；步骤S2：采用金刚石纳米颗粒制备所需尺寸的石墨烯纳米管（2），将制得的石墨烯纳米管（2）纵向放置在步骤S1制得的衬底层（1）上；步骤S3：在石墨烯纳米管（2）下方的衬底层（1）上沉积厚度为0.5
‑
1.5 nm的Ag液滴作为催化剂；步骤S4：将石墨烯纳米管和衬底层快速转移到MBE反应器的加载室中，打开反应器，开始催化制备砷化铟纳米线（3）；步骤S5：砷化铟分子沿着石墨烯纳米管（2）内壁径向生长，控制砷化铟分子的生长时间，制得纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线（3）或二维层状结构（4），然后关闭MBE反应器；步骤S6：将步骤S5处理完的石墨烯纳米管经过热处理，得到沿纵轴打开的石墨烯纳米管，分离获得纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构。2.根据权利要求1所述的纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，其特征在于，步骤S1的具体制备步骤如下：步骤S
11
：准备所需尺寸的砷化铟层作为衬底层（1）；步骤S
12
：将衬底层（1）采用标准湿法蚀刻方法使用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水的进行化学清洗；步骤S
13
：使用氢氟酸溶液对衬底层（1）进行脱氧处理；其中，氢氟酸溶液浓度为：氢氟酸:去离子水=1:20。3.根据权利要求1所述的纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，其特征在于，步骤S2的具体制备步骤如下：步骤S
21
：将0.02
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0.04 g的5
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10 nm的金刚石纳米颗粒分散在150
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250 ml的无水乙醇中，制得金刚石悬浮液；步骤S
22
：将厚度为45
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55 nm的SiO2衬底板放置在金刚石悬浮液中浸泡10
‑
30 min；步骤S
23
：待衬底板干燥后，将衬底板放置在卧式电阻炉的石英管中，在氩气气氛下加热升温到800
‑
1000 ℃，进行金刚石纳米颗粒的裂解；步骤S
24
：通入900
‑
1100 ml/min的甲烷和90
‑
110ml/min的氢气，生成碳原子或碳蔟；反应45
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70 min后关闭甲烷和氢气，将电炉的石英管在氩气气氛下冷却到室温，碳原子或碳蔟在SiO2衬底板上聚集形成石墨烯纳米管。4.根据权利要求1所述的纯纤锌矿晶相的砷化铟纳米线或二维层状结构的制备方法，其特征在于，步骤S6的具体步骤如下：步骤S
61
：将步骤S5处理后的石墨烯纳米管放入感应炉中，在温度600
‑
800 ℃条件下进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟雨欣，余晨辉，成田恬，王奕锦，罗向东，罗曼，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：