Mn<sub>27</sub>Si<sub>47</sub>-Si異質結構納米線陣列或Mn<sub>27</sub>Si<sub>47</sub>納米線陣列的製備方法
2023-08-13 12:51:46 2
專利名稱：Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列或Mn27Si47納米線陣列的製備方法
Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列或Mn27Si47納米線陣列的製備方法技術領域
本發明屬於半導體納米線陣列的製備技術領域，特別涉及Mn27Si47-Si異質結構納 米線陣列和Mn27Si47 —維納米結構陣列的製備方法。
背景技術：
Mn27Si47是一種過渡金屬矽化物，是錳矽化合物系列中的高錳矽化合物中的一種。 Mn27Si47作為一種過渡金屬矽化物，具備過渡金屬矽化物的性能，如抗氧化、耐化學腐蝕、熱 穩定性高、電阻率低、與Si器件極好的兼容性、與Si材料容易形成歐姆接觸等一系列優異 性能。同時Mn27Si47作為一種高錳矽化合物，又具備高錳矽化合物的特性，如窄的禁帶寬度、 優良的熱電性能、很好的鐵磁性能。為了能更好的發展集成的矽基高錳矽化合物器件，很有 必要探索在納米尺度上的高錳矽化合物和矽的複合材料的製備和性能。降低高錳矽化合物 的尺寸很有可能會出現一些新奇的性能，從而改善器件的性能。有研究表明，當高錳矽化合 物的尺寸降到納米尺度，其熱電性能和鐵磁性能得到了很大的改善。因此Mn27Si47-Si異質 結構納米線陣列和Mn27Si47納米線陣列在基於Si納米線的紅外探測器、太陽能光伏器件、電 子自旋器件和熱電器件方面具有巨大的潛在應用價值。而本發明正是採用一種新的簡單的 方法製備出了 Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列和Mn27Si47納米線陣列。發明內容
本發明的目的是提供Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列和Mn27Si47 —維納米結構陣 列的製備方法。
本發明的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列或Mn27Si47納米線陣列的製備方法包括 以下步驟
1)採用常規的化學刻蝕的方法在單晶矽基片表面製備出矽納米線陣列將用氫 氟酸清洗過的單晶矽基片置於硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中浸泡3分鐘；其中，硝酸銀和 氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫氟酸的濃度為4. 8mol/L ；將浸泡過硝 酸銀和氫氟酸混合溶液的單晶矽基片取出後置於雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中進行 刻蝕，雙氧水的濃度為4mmol/L，氫氟酸的濃度為4. 8mol/L，刻蝕溫度為50°C，刻蝕時間為 30分鐘，在單晶矽基片表面刻蝕出垂直定向站立排列的矽納米線陣列；
2)將MnCl2粉末放於氧化鋁瓷舟中，將步驟1)得到的表面刻蝕出垂直定向站立排 列的矽納米線陣列的單晶矽基片懸放於MnCl2粉末的正上方(優選懸放於MnCl2粉末的正 上方5mm處)，且矽納米線陣列面朝下正對MnCl2粉末，再將氧化鋁瓷舟連同上述步驟1)得 到的單晶矽基片一同放入管式爐的中心；
將管式爐加熱到溫度為600°C後進行保溫，10分鐘<保溫時間80分鐘(優選為80分鐘)；在整個加熱及保溫過程中通入惰性氣體(如氬氣)作 為保護氣體(優選通入的惰性氣體(如氬氣)的流量為lOOsccm)，管式爐內的壓強為70 ；待反應完畢，管式爐降溫至室溫，在10分鐘≤保溫時間< 80分鐘時，在單晶矽基片上得到 錳矽化合物(MnSi和Mn27Si47的混合物)-Si異質結構納米線陣列，在保溫時間為≥80分鐘 時(優選為80分鐘時)，在單晶矽基片上得到錳矽化合物納米線陣列；
3)將步驟2)得到的單晶矽基片從管式爐中取出，並再次放入管式爐的中心，將管 式爐加熱到溫度為750°C進行退火，退火時間為300分鐘；整個加熱及退火過程中通入惰性 氣體(如氬氣)作為保護氣體(優選通入的惰性氣體(如氬氣)的流量為lOOsccm)，管式爐 內的壓強為70 ；退火完成後，即由錳矽化合物-Si異質結構納米線陣列得到Mn27Si47-Si 異質結構納米線，由錳矽化合物納米線陣列得到Mn27Si47 —維納米線陣列。
所述的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列中的Mn27Si47為單晶結構，納米線的直徑 為100 300nm，長度為20 μ m。
所述的Mn27Si47—維納米線為單晶結構，納米線的直徑為100 300nm，長度為 20 μ m0
本發明是以化學刻蝕方法製備出的矽納米線陣列作為矽源，以MnCl2為Mn源，通 過原位反應得到Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列或得到Mn27Si47 —維納米線陣列。本發明 的製備方法簡單，得到的Si-Mn27Si47異質結構納米線陣列中的Mn27Si47和Mn27Si47 —維納米 線均為單晶結構，納米線的直徑都為100 300nm，長度都為20 μ m。
本發明所製備的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列和Mn27Si47 —維納米線陣列在 基於Si納米線的紅外探測器、太陽能光伏器件、電子自旋器件方面具有巨大的潛在應用價 值。
圖1.用化學刻蝕的方法得到的矽納米線陣列的正面SEM圖片。
圖2.用化學刻蝕的方法得到的矽納米線陣列的側面SEM圖片。
圖3.本發明實施例2中的錳矽化合物-Si異質結構納米線陣列的SEM圖片。
圖4.本發明實施例2中的錳矽化合物-Si異質結構納米線的TEM圖片。
圖5.本發明實施例2中的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列的XRD譜圖。
圖6.本發明實施例4中的單晶Mn27Si47 —維納米線陣列的SEM圖片。
圖7.本發明實施例4中的單晶Mn27Si47 —維納米線陣列的XRD譜圖。
圖8.本發明實施例4中的單晶Mn27Si47 —維納米線的HRTEM圖片。
具體實施方式
實施例1
1)將用氫氟酸清洗過的單晶矽基片浸泡於硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中浸泡3 分鐘；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫氟酸的濃度為 4. 8mol/L ；將浸泡過硝酸銀和氫氟酸混合溶液的單晶矽基片取出後置於雙氧水和氫氟酸 混合的刻蝕溶液中進行刻蝕，其中，雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為 4mmol/L，氫氟酸的濃度為4. 8mol/L ；在水浴中進行刻蝕，水浴溫度為50°C，刻蝕時間為30 分鐘，在單晶矽基片表面沉積有銀離子處，Si會被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會被 保留下來，從而在單晶矽基片表面刻蝕出垂直定向站立排列的矽納米線陣列；矽納米線的直徑為100 300nm，長度約20 μ m ；得到的矽納米線陣列的SEM形貌如圖1和圖2所示；
2)將MnCl2粉末放於氧化鋁瓷舟中，將步驟1)得到的表面刻蝕出垂直定向站立排 列的矽納米線陣列的單晶矽片懸放於MnCl2粉末的正上方5mm處，且Si納米線陣列面朝下 正對MnCl2粉末，再將氧化鋁瓷舟連同上述步驟1)得到的單晶矽基片一同放入管式爐的中 心，將管式爐加熱到溫度為600°C保溫10分鐘；整個加熱及保溫過程中通入Ar作為保護氣 體，Ar氣的流量為lOOsccm，管式爐內的壓強為701^。待反應完畢，管式爐降溫至室溫後， 將樣品從管式爐中取出，在單晶矽基片上得到錳矽化合物(MnSi和Mn27Si47的混合物)-Si 異質結構納米線陣列；
3)將步驟2)得到的樣品再次放入管式爐的中心，將管式爐加熱到溫度為750°C進 行退火，退火時間為300分鐘；整個加熱及退火過程中通入Ar作為保護氣體，Ar氣的流量 為lOOsccm，管式爐內的壓強為701^。退火完成後，即由錳矽化合物-Si異質結構納米線陣 列得到Mn27Si47-Si異質結構納米線，所述的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列中的Mn27Si47 為單晶結構，納米線的直徑為100 300nm，長度約為20 μ m左右。
實施例2
1)將用氫氟酸清洗過的單晶矽基片浸泡於硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中浸泡3 分鐘；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫氟酸的濃度為 4. 8mol/L ；將浸泡過硝酸銀和氫氟酸混合溶液的單晶矽基片取出後置於雙氧水和氫氟酸 混合的刻蝕溶液中進行刻蝕，其中，雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為 4mmol/L，氫氟酸的濃度為4. 8mol/L ；在水浴中進行刻蝕，水浴溫度為50°C，刻蝕時間為30 分鐘，在單晶矽基片表面沉積有銀離子處，Si會被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會被 保留下來，從而在單晶矽基片表面刻蝕出垂直定向站立排列的矽納米線陣列；其中，矽納米 線的直徑為100 300nm，長度約20μπι左右。
2)將MnCl2粉末放於氧化鋁瓷舟中，將步驟1)得到的表面刻蝕出垂直定向站立排 列的矽納米線陣列的單晶矽片懸放於MnCl2粉末的正上方5mm處，且Si納米線陣列面朝下 正對MnCl2粉末，再將氧化鋁瓷舟連同上述步驟1)得到的單晶矽基片一同放入管式爐的中 心，將管式爐加熱到溫度為600°C，保溫20分鐘；整個加熱及保溫過程中通入Ar作為保護 氣體，Ar氣的流量為lOOsccm，管式爐內的壓強為70Pa。待反應完畢，管式爐降溫至室溫後， 將樣品從管式爐中取出，在單晶矽基片上得到錳矽化合物(MnSi和Mn27Si47的混合物)-Si 異質結構納米線陣列，錳矽化合物-Si異質結構納米線陣列的SEM形貌圖如圖3所示；納米 線直徑為100 300nm，長約20 μ m左右，其TEM圖片如圖4所示，可以很清楚地看到異質結 構的存在，兩個插圖分別為兩部分的選區電子衍射圖樣，一個為錳矽化合物的多晶圖樣，一 個為單晶Si的圖樣；
3)將步驟2)得到的樣品再次放入管式爐的中心，將管式爐加熱到溫度為750°C進 行退火，退火時間為300分鐘；整個加熱及退火過程中通入Ar作為保護氣體，Ar氣的流量 為lOOsccm，管式爐內的壓強為701^。退火完成後，即由錳矽化合物-Si異質結構納米線陣 列得到Mn27Si47-Si異質結構納米線，所述的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列中的Mn27Si47 為單晶結構，納米線的直徑為100 300nm，長度約為20 μ m左右。得到的Mn27Si47-Si異質 結構納米線陣列的XRD譜圖如圖5所示，除來自Si基底和Si納米線的衍射峰外，其餘的均 來自 Mn27Si47。
實施例3
1)將用氫氟酸清洗過的單晶矽基片浸泡於硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中浸泡3 分鐘；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫氟酸的濃度為 4. 8mol/L ；將浸泡過硝酸銀和氫氟酸混合溶液的單晶矽基片取出後置於雙氧水和氫氟酸 混合的刻蝕溶液中進行刻蝕，其中，雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為 4mmol/L，氫氟酸的濃度為4. 8mol/L ；在水浴中進行刻蝕，水浴溫度為50°C，刻蝕時間為30 分鐘，在單晶矽基片表面沉積有銀離子處，Si會被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會被 保留下來，從而在單晶矽基片表面刻蝕出垂直定向站立排列的矽納米線陣列；其中，矽納米 線的直徑為100 300nm，長度約20 μ m左右；
2)將MnCl2粉末放於氧化鋁瓷舟中，將步驟1)得到的表面刻蝕出垂直定向站立排 列的矽納米線陣列的單晶矽片懸放於MnCl2粉末的正上方5mm處，且Si納米線陣列面朝下 正對MnCl2粉末，再將氧化鋁瓷舟連同上述步驟1)得到的單晶矽基片一同放入管式爐的中 心，將管式爐加熱到溫度為600°C，保溫40分鐘；整個加熱及保溫過程中通入Ar作為保護 氣體，Ar氣的流量為lOOsccm，管式爐內的壓強為70Pa。待反應完畢，管式爐降溫至室溫後， 將樣品從管式爐中取出，在單晶矽基片上得到錳矽化合物(MnSi和Mn27Si47的混合物)-Si 異質結構納米線陣列；
3)將步驟2)得到的樣品再次放入管式爐的中心，將管式爐加熱到溫度為750°C進 行退火，退火時間為300分鐘；整個加熱及退火過程中通入Ar作為保護氣體，Ar氣的流量 為lOOsccm，管式爐內的壓強為701^。退火完成後，即由錳矽化合物-Si異質結構納米線陣 列得到Mn27Si47-Si異質結構納米線，所述的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列中的Mn27Si47 為單晶結構，納米線的直徑為100 300nm，長度約為20 μ m左右。
實施例4
1)將用氫氟酸清洗過的單晶矽基片浸泡於硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中浸泡3 分鐘；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫氟酸的濃度為 4. 8mol/L ；將浸泡過硝酸銀和氫氟酸混合溶液的單晶矽基片取出後置於雙氧水和氫氟酸 混合的刻蝕溶液中進行刻蝕，其中，雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為 4mmol/L，氫氟酸的濃度為4. 8mol/L ；在水浴中進行刻蝕，水浴溫度為50°C，刻蝕時間為30 分鐘，在單晶矽基片表面沉積有銀離子處，Si會被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會被 保留下來，從而在單晶矽基片表面刻蝕出垂直定向站立排列的矽納米線陣列；其中，矽納米 線的直徑為100 300nm，長度約20 μ m左右；
2)將MnCl2粉末放於氧化鋁瓷舟中，將步驟1)得到的表面刻蝕出垂直定向站立排 列的矽納米線陣列的單晶矽片懸放於MnCl2粉末的正上方5mm處，且Si納米線陣列面朝下 正對MnCl2粉末，再將氧化鋁瓷舟連同上述步驟1)得到的單晶矽基片一同放入管式爐的中 心，將管式爐加熱到溫度為600°C，保溫80分鐘；整個加熱及保溫過程中通入Ar作為保護 氣體，Ar氣的流量為lOOsccm，管式爐內的壓強為70Pa。待反應完畢，管式爐降溫至室溫後， 將樣品從管式爐中取出，在單晶矽基片上得到錳矽化合物納米線陣列；
3)將步驟2)得到的樣品再次放入管式爐的中心，將管式爐加熱到溫度為750°C進 行退火，退火時間為300分鐘；整個加熱及退火過程中通入Ar作為保護氣體，Ar氣的流量 為lOOsccm，管式爐內的壓強為70Pa。退火完成後，即由錳矽化合物納米線陣列得到Mn27Si476一維納米線陣列，所述的Mn27Si47 —維納米線為單晶結構，得到的單晶Mn27Si47 —維納米線 陣列的SEM形貌圖如圖6所示，納米線的直徑為100 300nm，長度約為20 μ m左右，得到的 單晶Mn27Si47 —維納米線陣列的XRD譜圖如圖7所示，除來自Si基底的衍射峰外，其餘的均 來自Mn27Si47,得到的Mn27Si47 —維納米線的HRTEM圖片如圖8所示，證明得到的Mn27Si47納 米線為單晶結構。
權利要求
1.一種Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列或Mn27Si47納米線陣列的製備方法，其特徵是， 該方法包括以下步驟1)採用化學刻蝕的方法在單晶矽基片表面刻蝕出垂直定向站立排列的矽納米線陣列；2)將MnCl2粉末放於氧化鋁瓷舟中，將步驟1)得到的表面刻蝕出垂直定向站立排列的 矽納米線陣列的單晶矽基片懸放於MnCl2粉末的正上方，且矽納米線陣列面朝下正對MnCl2 粉末，再將氧化鋁瓷舟連同上述步驟1)得到的單晶矽基片一同放入管式爐的中心；將管式爐加熱到溫度為600°C後進行保溫，10分鐘<保溫時間 80分鐘；在整個加熱及保溫過程中通入惰性氣體作為保護氣體，管式爐內的壓強為 70Pa ；待反應完畢，管式爐降溫至室溫，在10分鐘<保溫時間 80分鐘時，在單晶矽基片上得 到錳矽化合物納米線陣列；3)將步驟2)得到的單晶矽基片從管式爐中取出，並再次放入管式爐的中心，將管式爐 加熱到溫度為750°C進行退火，退火時間為300分鐘；整個加熱及退火過程中通入惰性氣體 作為保護氣體，管式爐內的壓強為70 ；退火完成後，即由錳矽化合物-Si異質結構納米線 陣列得到Mn27Si47-Si異質結構納米線，由錳矽化合物納米線陣列得到Mn27Si47 —維納米線 陣列。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是所述的通入的惰性氣體的流量為 IOOsccm0
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是所述的懸放於MnCl2粉末正上方的單晶 矽基片，是懸放於MnCl2粉末的正上方5mm處。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是所述的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣 列中的Mn27Si47為單晶結構，納米線的直徑為100 300nm，長度為20 μ m。
5.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是所述的Mn27Si47—維納米線為單晶結 構，納米線的直徑為100 300nm，長度為20 μ m。
全文摘要
本發明涉及Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列和Mn27Si47一維納米結構陣列的製備方法。本發明以化學刻蝕方法製備出的矽納米線陣列作為矽源，以MnCl2為Mn源，通過原位反應得到Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列或Mn27Si47一維納米線陣列。本發明的製備方法簡單，得到的Si-Mn27Si47異質結構納米線陣列中的Mn27Si47和Mn27Si47一維納米線均為單晶結構，納米線的直徑都為100～300nm，長度都為20μm。本發明製備的Mn27Si47-Si異質結構納米線陣列和Mn27Si47一維納米線陣列在基於Si納米線的紅外探測器、太陽能光伏器件等方面具有巨大的潛在應用價值。
文檔編號B81C1/00GK102030309SQ201010538239
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者佘廣為, 凌世婷, 劉海龍, 師文生 申請人:中國科學院理化技術研究所