石墨基板上的纳米线外延制造技术

一种在石墨基板上包含至少一种纳米线的物质的组合物，在所述基板上已外延生长所述至少一种纳米线，其中所述纳米线包含至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族化合物或者包含至少一种非碳IV族元素。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】石墨基板上的纳米线外延本专利技术涉及用于在石墨基板上外延生长纳米线的方法。特别地，本专利技术采用分子束外延技术以在石墨基板上外延地并且理想为垂直地生长纳米线。得到的负载型纳米线形成本专利技术的另一方面。纳米线优选为半导体材料并广泛地应用于，例如，电子工业或太阳能电池中。近年来，由于纳米技术成为重要的工程学科而增强了对半导体纳米线的兴趣。纳米线，也被一些作者称为纳米晶须、纳米棒、纳米柱（nanopillar）或纳米柱状物（nanocolumn）等，已在各种电子器件如传感器、太阳能电池至LED中发现重要的应用。对于本申请的目的而言，将术语纳米线理解为基本上以一维形式的结构，即，其宽度或直径为纳米尺度且其长度通常在几个100nm至几μm范围内。通常，认为纳米线具有不大于200nm的至少两个尺寸。按纳米尺度控制一维生长，提供用于组合材料以及控制以下性能的独特机会，包括机械性能、电学性能、光学性能、热电性能、压电性能和电磁性能，以设计新型设备（器件）。存在许多不同类型的纳米线，包括金属（如，Ni、Pt、Au）纳米线，半导体（如，Si、InP、GaN、GaAs、ZnO等）纳米线，和绝缘（如，SiO2、TiO2）纳米线。尽管设想下面详细概述的原理可适用于各种各样的纳米线技术，但本专利技术人主要关注半导体纳米线。按照惯例，半导体纳米线已在与纳米线自身一致的基板上生长（同质外延生长）。因此，GaAs纳米线在GaAs基板上生长，诸如此类。当然这确保了在基板的晶体结构与生长的纳米线的晶体结构之间存在晶格匹配。基板和纳米线二者都可以具有一致的晶体结构。然而，在匹配的基板上生长纳米线是非常昂贵且有限制性的。例如，GaAs基板需要特殊制造且很昂贵。与具有（001）取向表面的更普通的基板相比，为了确保纳米线沿通常受青睐的[111]B方向生长，需要特别地将基板切片以具有（111）B取向表面。（111）B取向的GaAs基板比（001）取向的GaAs基板更昂贵。另外，不管怎样GaAs并非承载纳米线的理想材料。例如，它不是机械强固的或惰性的。它不是柔性的或透明的。如果可以采用其它更具有吸引力的基板，则会更好。本专利技术人寻求远离这些限制性基板的方式。当然，这样做不只是使用不同基板的问题。一旦基板不同于正生长的纳米线，按照定义在基板与纳米线之间就会有潜在的晶格失配以及许多的其它可能问题要考虑。然而，文献包含其他工作者的尝试以在可替代的基板上生长半导体纳米线。在Plissard等，Nanotechnology21(2010),385602-10中，已尝试使用Ga作为催化剂在硅（111）取向的基板上生长垂直的GaAs纳米线。硅显然是优选的电子基板，但是纯净形式的硅太昂贵。而且，它不是透明的且不是柔性的。它还经受与常用于纳米线生长的催化剂金的负相互作用。金可以扩散至硅内并在纳米线和基板中产生中间能隙缺陷状态（mid-gapdefectstate）。实际上，Plissard等推断金与Si基板的使用是不可行的并研发无金的纳米线生长技术。本专利技术人寻求在石墨基板上外延生长纳米线。石墨基板是由石墨烯或其衍生物的单个或多个层构成的基板。以其最精细的形式，石墨烯是与蜂巢晶格图案中排列的双电子键（被称作sp2键）结合在一起的碳原子的一个原子层厚的片。不同于其它半导体基板如GaAs基板，石墨基板是提供用于纳米线生长的理想基板的非常廉价的、可轻易获取的材料。少数层石墨烯基板的使用是理想的，因为它们是薄的、轻的和柔性的、还非常强固。它们的电气性能可以从高度导电至绝缘而改变。也不能渗透任何东西，非常惰性，并由此可与金和其它催化剂相容。然而，由于（大多数）半导体与表面处的活性悬挂键（danglingbond）一样是三维的，因此这种不同材料分类之间的纳米线的无缺陷外延生长是不明显的，然而，石墨具有表面无悬挂键的二维蜂巢结构并由此形成非常惰性且疏水性的表面。认识到存在于基板如石墨上生长的纳米线也会面临基板与生长的纳米线之间较大晶格失配的挑战。较大的晶格失配可以导致具有位错的有缺陷纳米线或实际上导致根本没有纳米线生长。外延生长纳米线是重要的，以便纳米线是有序的且会采取匹配基板的可相容的晶体结构。对于许多应用而言，重要的是纳米线可以垂直于基板表面垂直生长。半导体纳米线一般沿[111]方向（如果是立方晶体结构）或[0001]方向（如果是六方晶体结构）生长。这意味着基板表面需要为（111）或（0001）取向的，在这里基板的表面原子以六角对称排列。在可以于石墨表面上生长半导体纳米线之前仍然有许多障碍要克服。如上所述，已尝试在Si（111）基板上生长垂直的GaAs纳米线。本专利技术仅涉及石墨基板。也已做出在石墨基板上生长结晶纳米材料的一些尝试。在JACS,2010,132,3270-3271中，在石墨烯负载体（support）上合成Ni、Co和Fe的氧化物和氢氧化物的纳米晶体。在Appl.PhysLett.95,213101(2009)中，Kim等报道了在石墨烯层上生长的垂直对齐的ZnO纳米结构。它们使用无催化剂的金属有机气相外延法（MOVPE）进行生长，且ZnO纳米结构的表面形态取决于生长温度。本专利技术人已发现，在石墨基板上可以生长某种化合物/元素的外延纳米线。由于石墨基板与典型的半导体如硅和GaAs相比表面上没有悬挂键和非常短的原子键长度，因此，无法预测其上纳米线的成核和外延生长。如下令人惊奇地指出，取决于如何将半导体原子置于石墨烯的表面上，当使用石墨烯时它与许多半导体有良好的晶格匹配。特别地，分子束外延的使用在纳米线生长方面提供优异的结果。本专利技术特别地使在石墨基板生长IV、II-VI族或特别是III-V族半导体纳米线成为可能。而且，据信，这是在石墨基板上所生长的任意III-V族外延纳米线的首次公开，并且是在石墨基板上所生长的任意催化剂辅助的外延纳米线的首次公开。
技术实现思路
因此，从本专利技术的一个方面看，提供在石墨基板上的包含至少一种纳米线的物质的组合物，在所述基板上已外延生长所述至少一种纳米线，其中所述纳米线包含至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族化合物或者包含至少一种非碳IV族元素。从本专利技术的另一个方面看，提供一种用于制备在石墨基板上外延生长的至少一种纳米线的方法，包括以下步骤：（I）优选通过分子束，将II-VI族元素或III-V族元素或至少一种非碳IV族元素提供至所述石墨基板的表面；和（II）从石墨基板的表面外延生长至少一种纳米线。从本专利技术的另一个方面看，提供一种用于在存在催化剂时制备在石墨基板上外延生长的至少一种纳米线的方法，包括以下步骤：（I）优选通过分子束，将II-VI族元素或III-V族元素或至少一种非碳IV族元素提供至所述石墨基板的表面；和（II）从石墨基板的表面外延生长至少一种纳米线。可选择地，可以对石墨基板的表面进行化学/物理改性以加强纳米线的外延生长。从本专利技术的另一个方面看，提供通过如上文中定义的方法制备的纳米线。从本专利技术的另一个方面看，提供一种包含如上文中定义的组合物的器件，如电子器件，例如太阳能电池。从本专利技术的另一个方面看，提供在石墨基板上生长如上文中定义的至少一种纳米线的分子束外延的使用。定义III-V族化合物是指包含来自第III族的至少一种离子和来自第V族的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.12.13 GB 1021112.61.一种在具有至多达20nm厚度的石墨烯、石墨烷或氧化石墨烯基板上包含至少一种纳米线的物质的组合物，在所述基板上已外延生长所述至少一种纳米线，使得所述纳米线的原子排列基于所述基板的晶体结构进行，其中所述纳米线包含至少一种III-V族化合物；并且其中所述纳米线沿[111]或[0001]方向生长。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述纳米线包含GaSb、GaP、GaAs或InAs。3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述基板包含10个或更少个层。4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述基板为从集结石墨上片状剥落的层压基板、高度有序的热解石墨、在Ni膜上CVD-生长的石墨烯层、或者在Cu箔上CVD-生长的石墨烯层。5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述基板是柔性的且透明的。6.根据权利要求1所述的组合物，其中用具有氧气、氢气、NO2及其组合的气体的等离子体处理来对所述基板表面进行改性。7.根据权利要求1所述的组合物，其中通过使用FeCl3、AuCl3或GaCl3溶液的化学掺杂来对所述基板表面进行改性。8.根据权利要求1所述的组合物，其中所述纳米线的直径不大于200nm且具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔格·韦曼，比约恩奥韦·菲姆兰，金东彻，
申请(专利权)人：挪威科技大学，
类型：
国别省市：