一種無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法
2023-05-28 13:54:41
專利名稱：一種無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法
技術領域：
本發明涉及一種碲化鍺納米線陣列的方法，具體涉及一種無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，屬於電子功能材料與器件領域。
背景技術：
相變存儲器(PCM)主要是利用某些材料在特定的電流脈衝之下會具有快速且可逆的相變化效應，進而導致材料在某些特性上的穩定改變來達到存儲效果，此外其最終的狀態並不會隨著外加能量的消失而改變，因此具有非揮發性的特點。PCM技術憑藉其在讀取速度、可靠度、非破壞性讀取、非揮發性、尺寸微小化以及成本方面的優勢，已被公認為最有潛力取代傳統的DRAM技術及Flash快閃記憶體技術成為主流的存儲器技術之一。目前在相變存儲器中使用的材料主要是二元(或三元)硫系合金化合物，如=GeTe[Yu D. , Wu J.， Gu Q. and Park H. , J. Am. Chem. Soc. 2006,128 (25), 8148-8149. ], Sb2Te3 [Meister S.， Peng H. , McIlwrath K. , Jarausch K. , Zhang X. F. and Cui Y. , Nano Lett. 2006,6 (7), 1514-1517. ]，In2Se3[Sun X. , Yu B. , Ng G.，NguyenT. D. and Meyyappan M.，App 1. Phys. Lett. 2006,89 (23), 233121-3.]及 Ge2Sb2Te5 [Lee S. -H.，Jung Y. and Agarwal R.，Nat. Nanotechnol. 2007，2 (10)，6^-630.]。但由於PCM技術依賴於電流的熱效應來實現相變材料在晶態與非晶態之間的相互轉化，因此在大規模集成工藝中各個相變存儲單元(PCM cell)之間的交叉傳熱現象非常明顯，這會降低相變存儲器件的整體穩定性。解決的途徑之一就是進一步降低單個相變存儲單元的操作功耗。這就要求進一步減小每個相變單元的體積。而一維納米結構具有很高的比表面積，材料的熔點一般會下降30%左右，這對於降低相變材料的操作功耗是非常有利的。因此製備一維納米相變材料可以在提高存儲密度的同時降低單個PCM cell功耗，在大規模集成工藝中具有很好的應用前景。目前製備一維納米相變材料的通用方法是採用氣相輸運金催化生長的方法，即氣液固(vapor-liquid-solid)生長方法。2008年，Jin Seok Lee等人採用該方法製備了直徑在IOOnm左右的Sb2I^3納米線並在線外成功包覆了一層厚約50nm的GeTe層從而形成了核殼結構異質結[Jin Seok Lee, Sarah Brittman, Dong Yu, and Hongkun Park, J. AM. CHEM. SOC. 2008，130，6252-6258. ] ；Hee-Suk Chung 等人發現了 GeiTe 納米線在 GeiTe 微晶上的有序生長現象[Hee-SukChung, Yeonwoong Jung, Seul Cham Kim, Do Hyun Kim, Kyu Hwan Oh and Ritesh Agarwa1,Nano Lett. 2009，9(6)，2395-2401. ] ；2009 年，Soon-Won Jung 系統研究了 GeTe納米線的生長條件，初步實現了 GeTe —維納米結構在長度和直徑上的可控 [Soon-ffon Jung, Sung-Min Yoon, Young-Sam Park, Seung-Yun Lee and Byong-Gon Yu, Journal of the Kroean Physcal Society，2009，54 (3)，653-659.]。到目前為止，已有大量的關於採用氣相輸運金催化生長二元或三元硫系化合物一維結構的研究報導。但一維納米線陣列的生長尚未見報導
發明內容
本發明的目的是採用氣相輸運金催化的方法生長一維GeTe納米線陣列，其形貌較均勻且生長條件基本可控。本發明的發明人經過大量的實驗研究，發現在通用的氣相輸運中採用襯底逐步降溫的方法可有效地獲得形貌均一，直徑在50nm左右的立方相GeTe納米線陣列。本發明是通過如下技術方案實現的一種無模板輔助生長立方相碲化鍺O^eTe)納米線陣列的方法，包括如下步驟1)在Si基片上濺射一層Au薄膜；2)在水平管式爐的爐管中部放置蒸發源，將水平管式爐抽真空後，充入載氣使爐管內維持內壓為1200-1400Pa ；3)將步驟1)中製備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向處，並對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至400 550°C ；然後對所述濺射有 Au薄膜的Si基片以0. 2-0. 60C /min進行降溫，降溫時間為30 120min ；4)降溫時間結束後，繼續通載氣自然降溫。優選的，步驟1)中，充入載氣使爐管內維持內壓為13001^。步驟1)中，所述Au薄膜可採用直流濺射法獲得，優選濺射電流為20mA，濺射時間為18 180s。所獲得的Au薄膜的厚度為1. 5 15nm ；優選為1. 5nm。步驟幻中，所述蒸發源為GeTe合金粉。所述GeTe合金粉中，Ge和Te的摩爾比為 1 1。步驟2~)中，所述水平管式爐中部放置的蒸發源的質量為0. 01 0. 025g，優選為 0. 02g。步驟2)中，所述水平管式爐抽真空至120 150Pa。步驟3)中，所述濺有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為3. 5 6cm處，優選為4cm處。步驟幻中，優選對水平管式爐中部進行加熱至495 505 °C。步驟幻中，對所述濺射有Au薄膜的Si基片優選以0. 3-0. 6°C /min進行降溫，最優選為以0. 3 0C /min進行降溫。步驟3)中，當爐中部管溫升至400-550°C時，控制濺有Au薄膜的Si基片的溫度為 305-420°C，優選為 305-315°C，最優選為 310°C。步驟3)中，所述降溫時間優選為60-120min。步驟幻及步驟4)中，所述載氣為氬氣，優選為高純氬氣。本發明的有益效果本發明利用氣相輸運金催化，採用襯底降溫的方法製備了形貌均勻的一維GeTe納米線陣列。該方法簡單可行，成本低廉，並且可以在一維GeTe納米線陣列中包裹其他元素與合金化合物(如Sb，Sb2Te3等)，可有效地實現異質結陣列。
圖1在氣相輸運過程中優選襯底溫度的襯底降溫曲線。圖2GeTe納米線陣列的場發射電鏡照片。圖3GeTe納米線陣列的透射電鏡照片，插入圖為高分辨透射電鏡照片。圖4GeTe納米線的元素分析(催化劑與納米線交界區域，Ge原子與Te原子數比為 0.7 1)。圖5為本發明所使用的水平管式爐的結構示意圖。圖6為實施例2所製備的GeTe納米線陣列的場發射電鏡照片。圖7為實施例3所製備的GeTe納米線陣列的場發射電鏡照片。
具體實施例方式圖5為本發明所使用的水平管式爐的結構示意圖，圖中1為爐體，2為爐管，3為蒸發源，4為濺射有Au薄膜的Si基片，箭頭方向代表載氣流動方向。下列各實施例及對比例中所採用的爐體型號為ZFI2-3-12，上海祖發科技生產。實施例1 氣相輸運金催化一維GeTe納米線陣列的製備(1)採用直流濺射在經過超聲清洗的Si基片上濺射一層厚度為1. 5nm的Au薄膜； 濺射電流為20mA，濺射時間為18s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源純度為99. 999%的GeTe粉末(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為0.02g，將水平管式爐抽至壓力位150Pa，充入載氣高純氬氣，氣流量為 100ml/min，充入載氣後爐管內壓為13001 ；(3)將步驟(1)中製備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為4cm處，並對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至500°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至500°C時，此時控制基片處的溫度約為 310°C，然後對基片以0. 30C /min進行降溫，降溫時間為120min ；(5)保溫時間結束後，繼續通載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為130 的真空度，進行自然降溫，獲得一維GeTe納米線陣列。所製備的一維GeTe納米線陣列的場發射掃描電鏡照片如圖2所示，其透射電鏡照片與元素分析如圖3、4所示。由元素分析可知，所獲得的一維GeTe納米線陣列中，Ge原子與Te原子數比為0.7 1。實施例2 氣相輸運金催化一維GeTe納米線陣列的製備(1)採用直流濺射在經過超聲清洗的Si基片上濺射一層厚度為15nm的Au薄膜； 濺射電流為20mA，濺射時間為180s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源純度為99. 999%的GeTe粉末(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為0.02g，將水平管式爐抽至壓力位120Pa，充入載氣高純氬氣，氣流量為 100ml/min，充入載氣後爐管內壓為12001 ；(3)將步驟(1)中製備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為6cm處，並對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至500°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至500°C時，此時控制基片處的溫度約為 418°C，然後對基片以0. 60C /min進行降溫，降溫時間為60min ；(5)保溫時間結束後，繼續通載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為110 的真空度，進行自然降溫，獲得一維GeTe納米線陣列。所製備的一維GeTe納米線陣列的場發射掃描電鏡照片如圖6所示。實施例3 氣相輸運金催化一維GeTe納米線陣列的製備(1)採用直流濺射在經過超聲清洗的Si基片上濺射一層厚度為1. 5nm的Au薄膜；濺射電流為20mA，濺射時間為180s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源純度為99. 999%的GeTe粉末(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為0.02g，將水平管式爐抽至壓力位150Pa，充入載氣高純氬氣，氣流量為 100ml/min，充入載氣後爐管內壓為13001 ；(3)將步驟(1)中製備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為3. 5cm處，並對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至500°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至500°C時，此時控制基片處的溫度約為 305°C，然後對基片以0. 2V /min進行降溫，降溫時間為120min ；(5)保溫時間結束後，繼續通載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為130Pa的真空度，進行自然降溫，獲得一維GeTe納米線陣列。所製備的一維GeTe納米線陣列的場發射掃描電鏡照片如圖7所示。
權利要求
1.一種無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，包括如下步驟1)在Si基片上濺射一層Au薄膜；2)在水平管式爐的爐管中部放置蒸發源，將水平管式爐抽真空後，充入載氣使爐管內維持內壓為1200-1400Pa ；3)將步驟1)中製備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向處，並對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至400 550°C ；然後對所述濺射有Au薄膜的Si基片以0. 2-0. 60C /min進行降溫，降溫時間為30 120min ；4)降溫時間結束後，繼續通載氣自然降溫。
2.如權利要求1所述的無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，其特徵在於，步驟1)中，所述Au薄膜的厚度為1. 5 15nm。
3.如權利要求1所述的無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，其特徵在於，步驟幻中，所述蒸發源為GeTe合金粉。
4.如權利要求1所述的無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，其特徵在於，步驟2)中，所述水平管式爐抽真空至120 150Pa。
5.如權利要求1所述的無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，其特徵在於，步驟3)中，所述濺有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為3. 5 6cm處。
6.如權利要求1所述的無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，其特徵在於，步驟3)中，當爐中部管溫升至400-550°C時，控制濺有Au薄膜的Si基片的溫度為 305-420 O。
7.如權利要求1所述的無模板輔助生長立方相碲化鍺納米線陣列的方法，其特徵在於，步驟幻及步驟4)中，所述載氣為氬氣。
全文摘要
本發明提供了一種無模板輔助生長立方相碲化鍺(GeTe)納米線陣列的方法，包括如下步驟(1)在Si基片上濺射一層Au薄膜；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源，將水平管式爐抽至一定真空度後，充入載氣使爐管內維持一定的內壓；(3)將步驟(1)中製備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處，並對水平管式爐中部進行加熱至預定溫度；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至預定溫度後，進行一定時間的降溫；(5)降溫時間結束後，利用機械泵維持一定的真空度，進行自然降溫。該方法簡單可行，成本低廉，可有效地實現異質結陣列。
文檔編號C01B19/04GK102275881SQ201110202239
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者尚飛, 沈波, 翟繼衛 申請人:同濟大學