一種超長芯-殼結構矽納米線及其製備方法
2023-05-30 21:05:01 1
專利名稱：一種超長芯-殼結構矽納米線及其製備方法
技術領域：
本發明屬於納米材料技術領域，具體涉及一種矽納米線及其製備方法。
背景技術：
矽納米線是近年來發展矽基納米材料熱點之一。矽基納米材料具有許多一般矽材 料所沒有的新的物理性質。例如實驗表明，矽納米線的能隙與材料的直徑有關。當納米線 的直逕自7nm降低到1. 3nm時，其能隙將自1. leV增加到3. 5eV。因此直徑不同的矽納米線 將具有不同的物理特性，從而給矽納米線帶來新的應用。實驗還表明，納米線具有相當強的 光致發光效應。以上這些特性給矽納米線在微電子器件和光電子器件中的應用帶來了廣闊 的前景。 芯-殼結構矽納米線是一種用矽氧化物殼層保護的矽納米線。這種結構的納米線 增加了矽納米線的機械強度，並使矽納米線免於氧化，以保持矽納米線直徑不會隨時間而 改變,從而使材料的物理性質保持穩定。因此這種芯-殼結構的矽納米線具有重要的應用 前景。 常用的生長矽納米線的方法有氧化物輔助生長法，氣相_液相_固相生長法，金屬 催化劑生長法和雷射熔融生長法等。其中氧化物輔助生長法和雷射熔融生長法常用來生長 芯殼結構的矽納米線。該方法生長的納米線其氧化矽殼層的厚度小於或者等於矽芯的直 徑。固相_液相_固相生長法相比上述方法是一種更簡單，高效,快速生長納米線的方法， 但是在以往的報導中，該方法只得到了氧化矽納米線。而本發明用固相_液相_固相生長 方法等到一種長度達到數十乃至數百微米的芯殼結構矽納米線，殼層厚度高達數十納米， 而直徑僅為5納米左右。發明人尚未見類似報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種長度長,直徑小，外包氧化矽殼層厚的芯-殼結構矽 納米線及其製備方法。 本發明採用真空蒸鍍技術在矽襯底上澱積一層厚度為0. 8-1. 2nm的Fe膜作催化 劑。經過退火，利用固相反應的技術，生長出矽納米線。用這種方法生長的矽納米線，具有 長度長,直徑小,氧化矽殼層厚等特點。它的內芯的矽納米線直徑在5-5. 5nm間，長度可達 數卜微米至數百微米， 一般長度可為50微米 800微米。包圍於矽納米線外圍的氧化矽殼 層厚度為22-28nm之間。厚實的氧化矽殼層，將提高矽納米線的機械強度，增強矽納米線的 抗氧化能力，使矽納米線的物理性質保持穩定。這種矽納米線的製作方法簡易有效，具有實 用性。 本發明的芯-殼結構矽納米線的具體製作步驟如下 [國](1)清洗襯底。 選用電阻率為5-10 Q cm的P型Si (100)單晶片為襯底。襯底片在生長矽納米線 前需要作清洗處理。
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(2)在矽襯底上澱積Fe薄膜作為催化劑。 將清潔後的矽襯底片放入超高真空分子束外延系統內，在真空室內，加熱蒸發Fe 源，在矽片表面上澱積一層厚度為0.8-1.2nm Fe薄膜。澱積於矽片表面的Fe膜系作為生 長矽納米線的催化劑之用。
(3)生長矽納米線 將澱積有Fe薄膜的矽襯底片從真空室中取出，移入管式退火爐進行退火。退火時 管內通入氮氣和氫氣混合組成的保護氣體。氣體總流量控制在150-170L/h。退火溫度為 1100-112(rC,退火時間為30-35分鐘。退火結束後，在退火爐內自然冷卻到室溫。退火後 的矽片表面形成--層灰色的薄膜，矽納米線即在膜中。 採用本方法所製備的矽納米線，其長度為50微米 800微米。納米線呈芯_殼結
構。中間的核芯系矽納米線，直徑在5-5.5nm之間。包裹矽納米線的殼層為非晶態的氧化
矽，厚度約在22-28nra間。核芯的矽納米線的生長方向為[111]方向。 本發明製備的芯殼結構矽納米線，厚實的氧化矽殼層，將提高矽納米線的機械強
度，增強矽納米線的抗氧化能力，使矽納米線的物理性質保持穩定。超長的矽納米線將使該
納米材料獲得更廣泛更方便的應用。
圖1為芯殼結構矽納米線的掃描電子顯微鏡照片。
圖2為本發明中用以生長矽納米線的退火爐的結構圖示。 圖中標號1引入保護氣體的管道，2氣體流量計，3退火爐管塞,4退火爐加熱器， 5樣品(矽片)，6退火爐保溫層。
具體實施例方式製備本發明矽納米線的操作步驟如下
(1)清洗襯底。 選用電阻率為5-10 Q cm的P型Si (100)單晶片為襯底。襯底片在生長矽納米線 前需要作清洗處理。清洗程序如下 i)將矽襯底片在丙酮和甲醇中先後各超聲5-6分鐘，再在去離子水中超聲5-6分 鍾，以去除沾汙在襯底表面的有機物。 ii)在硫酸和雙氧水溶液中浸泡15-16分鐘後，用去離子水衝洗5-6分鐘。硫酸和 雙氧水的體積比可為l : 4 1 : 6。 iii)放入氨水、雙氧水、水溶液中浸泡15-16分鐘後，用去離子水衝洗5-6分鐘。
氨水、雙氧水、水三者的體積比可為i : i : (4 6)。 iv)在5%的氫氟酸中浸泡2-3分鐘去除表面的氧化層。隨後用去離子水衝洗千 淨後備用。
(2)在矽襯底上澱積Fe薄膜作為催化劑。 將清潔後的矽襯底片迅速放入超高真空分子束外延系統內。在超高真空室內，加 熱蒸發Fe源(Fe源的純度為99. 95% )，在矽片表面....匕澱積一層厚度為0. 8_1. 2nm Fe薄膜。 澱積Fe薄膜時真空室內的真空度須保持在3X10，orr以下。矽片的襯底溫度為室溫，澱
4積速率為0. 001 0. 003nm/s。(3)生長矽納米線 將澱積有Fe膜的矽襯底片自分子束外延室中取出，移入管式退火爐的石英管內 進行退火。退火爐結構如附圖3所示。退火時管內通以由高純度的氮氣和氫氣混和而成的 保護氣體。其中氮氣與氫氣的體積比例為19 : 1 18 : 2。混合氣的流量由流量控制器 調節，氣體總流量控制在150-170L/h。退火溫度為1100-112(TC，退火時間為30-35分鐘。 退火結束後,樣品在退火爐內自然冷卻到室溫。退火後的矽片表面形成一層灰色的薄膜，矽 納米線即在膜中。 採用本方法所製備的矽納米線，其長度為幾十至幾百微米不等。納米線呈芯_殼 結構。中間的核芯系矽納米線，直徑在5nm左右。包裹矽納米線的殼層為非晶態的矽氧化 物,厚度約為25mn左右。核芯的矽納米線的生長方向為[111]方向。
權利要求
1一種超長芯-殼結構的矽納米線，其特徵是中間的芯為矽納米線，直徑為5～5.5nm，矽納米線的生長方向為[111]方向，長度為50微米～800微米；殼層為非晶態氧化矽，厚度為22～28nm。
2. —種如權利要求1所述的超長芯-殼結構矽納米線的製備方法，其特徵在於具體步 驟如下(1) 清洗襯底選用電阻率為5-10 Q cm， P型Si (100)單晶片為襯底，生長矽納米線前，先對矽襯底進 行清洗；(2) 澱積Fe薄膜將清潔後的矽襯底片放入超高真空分子束外延系統內，在真空室內蒸加熱發Fe源，在 矽片表面澱積一層厚度為0. 8-1. 2nm的Fe薄膜，作為生長矽納米線的催化劑；(3) 生長矽納米線將澱積有Fe膜的矽襯底從真空室中取出，移入管式退火爐進行退火，退火時管 內通入由氮氣和氫氣混和組成的保護氣體，氣體總流量控制在150-170L/h，退火溫度 1100-112(TC，退火時間為30-35分鐘；退火結束後，在退火爐中自然冷卻到室溫。
3. 根據權利要求2所述的超長芯-殼結構矽納米線的製備方法，其特徵是在矽襯底 上蒸鍍Fe薄膜時，真空室的的真空度在3X 10—，orr以下，襯底溫度為室溫，澱積速率為 0.001 0. 003nm/s。
4. 根據權利要求2所述的超長芯-殼矽-氧化矽納米線的製備方法，其特徵是生長 矽納米線時用的保護氣體中氮氣和氫氣的體積比為19 : 1 18 : 2。
全文摘要
本發明屬於納米材料技術領域，具體為一種超長芯-殼結構矽納米線及其製備方法。這種矽納米線具有直徑小，長度長，結晶性良好，氧化矽殼層厚等特點。其中納米線的直徑為5nm左右，長度可達數十微米至數百微米。矽納米線的生長方向為[111]方向。包圍於矽納米線外圍的氧化矽殼層厚度為25nm左右。厚實的氧化矽殼層，將提高矽納米線的機械強度，增強矽納米線的抗氧化能力，使矽納米線的物理性質保持穩定。超長的矽納米線將使該納米材料獲得更廣泛更方便的應用。
文檔編號B82B1/00GK101704500SQ20091019905
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者張翔九, 樊永良, 聶天曉, 蔣最敏 申請人:復旦大學