一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法
2023-10-08 06:14:19
一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法，包括以下步驟：步驟1、將矽氧化物晶體放入水或乙醇溶液中進行超聲波清洗，除去二氧化矽晶體表面汙漬和油漬。步驟2、把步驟1洗淨的矽氧化物晶體在80-120℃條件下烘乾4h。步驟3、把步驟2烘乾的矽氧化物晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段，先通入氮氣將管路中的氧化性氣體排除乾淨，然後程序升溫至1300℃後保溫6h，升溫速率2-15℃/min，在保溫階段通入氫氬混合氣體，通氣時間2h，通氣流量15cm3/s。步驟4、待步驟3反應結束後，設置高溫管式爐的降溫速率為10-15℃/min降至室溫。步驟5、將步驟4中降至室溫的矽納米線收集，用去離子水洗淨、真空乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的高純度矽納米線。
【專利說明】一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於半導體納米材料製備【技術領域】，具體涉及一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法。
【背景技術】
[0002]—維半導體納米材料由於其特殊的結構與物理性能，不僅在基礎物理中作為重點研究對象，在實際的介觀和納米光電子器件領域也受到廣泛的重視。由於矽材料在微電子行業等眾多領域的重要地位，一維納米線的製備研究受到極大的關注。目前矽納米線製備的主要方法有:熱化學氣相沉積(CVD)，低壓化學氣相沉積(LPCVD)，等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，雷射燒蝕沉積(LAD)，熱蒸發，電子束蒸發(EBE)水熱法和溶劑熱法等。矽納米線的生長機理主要有:氣-液-固(VLS)，氣-固(VS)，固-液-固(SLS)。
[0003]由於傳統方法製備的矽納米線在直徑、長度和形狀上都具有較大的分散性和無序性，而且製備的矽納米線表面易覆蓋有二氧化矽薄層或催化劑雜質，造成矽納米線純度降低，影響矽線的應用。
【發明內容】
[0004]本發明設計了一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其解決了傳統方法製備的矽納米線在直徑、長度和形狀上都具有較大的分散性和無序性，而且製備的矽納米線表面易覆蓋有二氧化矽薄層或催化劑雜質，造成矽納米線純度降低，影響矽線的應用的問題。
[0005]為了解決上述存在的技術問題，本發明採用了以下方案:
一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:包括以下步驟:
步驟1、將矽氧化物晶體清洗乾淨，除去矽氧化物晶體表面的汙潰和油潰；
步驟2、把步驟I洗淨的矽氧化物晶體烘乾；
步驟3、將步驟2中烘乾的矽氧化物晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段進行還原反應；還原反應前先排淨設備管路中的氧化性氣體，再進行還原反應；
步驟4、待步驟3反應結束後，設置高溫管式爐降溫至室溫；
步驟5、待步驟4降溫至室溫後，取出載體，將載體上還原的矽納米線收集、清洗並乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的聞純度娃納米線。
[0006]進一步，步驟I中清洗所用的清洗液為水或乙醇溶液，同時利用超聲波震動清洗。
[0007]進一步，步驟2中矽氧化物晶體在80_120°C條件下烘乾4小時。
[0008]進一步，步驟3中將設備管路中的氧化性氣體排淨的方法是通入氮氣或惰性氣體。
[0009]進一步,步驟3中還原反應的條件是:溫度升至1100-1400°C,並保溫l_6h,在保溫階段通入還原性氣體，通氣時間l_4h，通氣流量l-40cm3/s。
[0010]進一步,還原反應的溫度升溫至1300°C ,並保溫6h。[0011]進一步，還原反應的溫度升溫速率2-15°C /min。
[0012]進一步，還原性氣體的通氣時間為2h，通氣流量15cm3/s。
[0013]進一步，在保溫階段通入的還原性氣體是氫氬混合氣體。
[0014]進一步,氫気混合氣體中氫氣含量5%。
[0015]進一步，步驟4中設置高溫管式爐的降溫速率為10_15°C /min降溫至室溫。
[0016]進一步，步驟5中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線，用去離子水洗淨並真空乾燥。
[0017]進一步，矽氧化物晶體是二氧化矽晶體，載體採用耐高溫瓷舟。
[0018]該高純度有序半導體矽納米線的製備方法具有以下有益效果:
(I)本發明中採用矽氧化物晶體直接製備矽納米線，可以獲得尺寸一致且排列有序的材料；用還原性氣氛製備矽納米線，未採用催化劑或者引入其它元素，產物的純度高，無汙染，且為單晶狀態，性能優異。
[0019](2)本發明高純度有序半導體矽納米線的製備方法，還原反應的條件是溫度緩慢升至1100-1400°C，並保溫l_6h，在保溫階段通入還原性氣體，通氣時間l_4h，通氣流量l-40cm3/so由於矽的熔點在1410°C，在接近熔點溫度採用氫氣還原二氧化矽，獲得的矽單晶純度高，雜質成分少，而且 緩慢升溫有利於二氧化矽晶體受熱均勻，為還原反應做好充分的準備。保溫l_6h，並通入還原性氣體l_4h，保證了還原反應充分、完全的進行，提高生成矽線的純度，效果好。採用較小的通氣量l-40cm3/s，既安全又避免在管路中形成大氣流，使生成的娃線被氣流帶出高溫區。
[0020](3)本發明高純度有序半導體矽納米線的製備方法，還原反應後採用10_15°C /min緩慢降溫，能夠使矽納米線結晶穩定，避免了出現矽線斷裂破碎。
[0021](4)本發明高純度有序半導體矽納米線的製備方法，採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線並用去離子水洗，可將矽線上附著的雜質，或者將細小的矽顆粒在高速離心過程中洗脫。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1:本發明實施例1所製備的高純度有序半導體矽納米線掃描電鏡圖片；
圖2:本發明實施例1所製備種高純度有序半導體矽納米線高分辨透射電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0023]為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0024]實施例1:
第一步、將5.0g 二氧化矽晶體放入乙醇溶液中並接通超聲波進行超聲波清洗，除去二氧化矽晶體表面汙潰和油潰。
[0025]第二步、把上述步驟一洗淨的二氧化矽晶體在100°C條件下烘乾4h。
[0026]第三步、把上述洗淨烘乾的二氧化矽晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段，先通入氮氣將管路中的氧化性氣體排除乾淨，然後程序升溫至1300°C後保溫6h，升溫速率5°C /min,在保溫階段通入氫IS混合氣體,通氣時間2h,通氣流量15cm3/s。[0027]第四步、步驟三反應結束後，設置高溫管式爐的降溫速率為10°C /min降溫至室溫。
[0028]第五步、將步驟四降至室溫的載體上還原的矽納米線收集，再用去離子水洗淨、真空乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的高純度矽納米線。本實施例中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線。
[0029]實施例2:
第一步、將6.0g 二氧 化矽晶體放入乙醇溶液中並接通超聲波進行超聲波清洗，除去二氧化矽晶體表面汙潰和油潰。
[0030]第二步、把上述步驟一洗淨的二氧化矽晶體在120°C條件下烘乾4h。
[0031]第三步、把上述洗淨烘乾的二氧化矽晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段，先通入氮氣將管路中的氧化性氣體排除乾淨，然後程序升溫至1400°C後保溫4h，升溫速率5°C /min,在保溫階段通入氫IS混合氣體,通氣時間1.5h,通氣流量20cm3/s。
[0032]第四步、步驟三反應結束後，設置高溫管式爐的降溫速率為15°C /min降溫至室溫。
[0033]第五步、將步驟四降至室溫的載體上還原的矽納米線收集，再用去離子水洗淨、真空乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的高純度矽納米線。本實施例中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線。
[0034]實施例3:
第一步、將3.6g 二氧化矽晶體放入去離子水中並接通超聲波進行超聲波清洗，除去二氧化矽晶體表面汙潰和油潰。
[0035]第二步、把上述步驟一洗淨的二氧化矽晶體在80°C條件下烘乾4h。
[0036]第三步、把上述洗淨烘乾的二氧化矽晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段，先通入氮氣將管路中的氧化性氣體排除乾淨，然後程序升溫至1100°c後保溫6h，升溫速率2°C /min,在保溫階段通入氫IS混合氣體,通氣時間Ih,通氣流量40cm3/s。
[0037]第四步、步驟三反應結束後，設置高溫管式爐的降溫速率為10°C /min降溫至室溫。
[0038]第五步、將步驟四降至室溫的載體上還原的矽納米線收集，再用去離子水洗淨、真空乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的高純度矽納米線。本實施例中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線。
[0039]實施例4:
第一步、將6.0g 二氧化矽晶體放入乙醇溶液中並接通超聲波進行超聲波清洗，除去二氧化矽晶體表面汙潰和油潰。
[0040]第二步、把上述步驟一洗淨的二氧化矽晶體在100°C條件下烘乾4h。
[0041]第三步、把上述洗淨烘乾的二氧化矽晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段，先通入氮氣將管路中的氧化性氣體排除乾淨，然後程序升溫至1400°C後保溫lh，升溫速率2°C /min,在保溫階段通入氫気混合氣體,通氣時間Ih,通氣流量lcm3/s。
[0042]第四步、步驟三反應結束後，設置高溫管式爐的降溫速率為15°C /min降溫至室溫。
[0043]第五步、將步驟四降至室溫的載體上還原的矽納米線收集，再用去離子水洗淨、真空乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的高純度矽納米線。本實施例中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線。
[0044]上述實施例中載體均採用耐高溫瓷舟，瓷舟的材質主要是氧化鋁材質；高溫管式爐為多溫區管式爐，在爐子的中段，溫度最高，且溫度梯度較小，溫度探測的最準確；由於是高溫還原反應，故採用氫氬混合氣體，其中氫氣含量在5%左右，主要是為了安全，高溫下，純氫氣還原比較危險，而氬氣是惰性氣體，不參與反應。
[0045]上述實施例中還原反應的條件是溫度緩慢升至1100-1400°C,並保溫l_6h,在保溫階段通入還原性氣體，通氣時間l_4h，通氣流量l-40cm3/s。由於矽的熔點在1410°C，在接近熔點溫度採用氫氣還原二氧化矽，獲得的矽單晶純度高，雜質成分少，而且緩慢升溫有利 於二氧化矽晶體受熱均勻，為還原反應做好充分的準備。保溫l_6h，是為了還原反應充分進行，而保溫6h是試驗中優選的條件，在6小時左右，反應能夠完全進行，效果好。採用較小的通氣量l_40cm3/s,主要考慮2點，一是在高溫管式爐(1300°C左右條件下)中的氫氣量不易過多，從安全考慮，二是較低的氣流量，避免在管路中形成大氣流，使生成的矽線被氣流帶出高溫區，影響實驗結果。l_4h小時的通氣時間也是便於反應完全進行，提高生成矽線的純度。
[0046]上述實施例中還原反應後採用10_15°C/min緩慢降溫,能夠使娃納米線結晶穩定，避免出現矽線斷裂破碎。
[0047]上述實施例中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線並用去離子水洗，可將矽線上附著的雜質，或者將細小的矽顆粒在高速離心過程中洗脫。
[0048]本發明在高溫條件下，採用還原性氛圍直接還原矽氧化物晶體材料，可以製備出直徑、長度和排序可控的矽納米線，且產物純度高，不受催化劑等雜質的影響，還可以大批量生產,社會效應好。
[0049]圖1為本發明實施例1所製備的高純度有序半導體矽納米線掃描電鏡圖片，圖1中標註20微米，主要指獲得的矽納米線單一長度在100微米以上，這樣規格的單晶矽納米線比較難以獲得。圖2為本發明實施例1所製備種高純度有序半導體矽納米線高分辨透射電鏡圖片，圖2中3nm標識的是圖片尺度，納米級別，0.19nm是晶面間距，表明獲得的矽線是單晶的，高純度的，而且矽線是[100]方向生長的。
[0050]上面結合實施例及附圖對本發明進行了示例性的描述，顯然本發明的實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟1、將矽氧化物晶體清洗乾淨，除去矽氧化物晶體表面的汙潰和油潰； 步驟2、把步驟I洗淨的矽氧化物晶體烘乾； 步驟3、將步驟2中烘乾的矽氧化物晶體放入載體，送入高溫管式爐的中段進行還原反應；還原反應前先排淨設備管路中的氧化性氣體，再進行還原反應； 步驟4、待步驟3反應結束後，設置高溫管式爐降溫至室溫； 步驟5、待步驟4降溫至室溫後，取出載體，將載體上還原的矽納米線收集、清洗並乾燥後，獲得尺寸一致，排列有序的聞純度娃納米線。
2.根據權利要求1所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:步驟3中將設備管路中的氧化性氣體排淨的方法是通入氮氣或惰性氣體。
3.根據權利要求1或2所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:步驟3中還原反應的條件是:溫度升至1100-1400°C，並保溫l_6h，在保溫階段通入還原性氣體，通氣時間l-4h,通氣流量l_40cm3/s。
4.根據權利要求3所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:還原反應的溫度升溫至1300°C，並保溫6h。
5.根據權利要求3所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:還原反應的溫度升溫速率2-15°C /min。
6.根據權利要求3至5任一所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:還原性氣體的通氣時間為2h,通氣流量15cm3/s。
7.根據權利要求3至6任一所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:在保溫階段通入的還原性氣體是氫氬混合氣體。
8.根據權利要求1所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:步驟4中設置高溫管式爐的降溫速率為10-15°C /min降溫至室溫。
9.根據權利要求1所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:步驟5中採用離心收集法收集載體上還原的矽納米線，用去離子水洗淨並真空乾燥。
10.根據權利要求1至9任一所述的高純度有序半導體矽納米線的製備方法，其特徵在於:矽氧化物晶體是二氧化矽晶體，載體採用耐高溫瓷舟。
【文檔編號】C01B33/023GK103950932SQ201410151393
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】盧磊, 海濱, 朱廣燕, 劉三兵, 陳效華 申請人:奇瑞汽車股份有限公司