[发明专利]通过离子束注入形成的纳米棒阵列

说明书

本申请依照35 U.S.C.§119(e)要求于2005年6月29日提出的美国临时专利申请No.60/696,020的权益，通过引用将其整体并入本文用于所有场合。

美国政府对本发明享有缴清许可，并且在有限的情形中具有要求专利所有人以合理的条款许可其他人的权利，正如能源部授权号DE-FG02-05ER46208和国家科学基金(NSF)授权号DMR-0404542的条款所规定的。

本发明涉及使用离子束注入形成纳米棒阵列的一般领域。

产生纳米棒阵列图案的当前方法使用金属催化剂来催化利用气-液-固工艺的生长。在衬底气相源的存在下，将加热到高于共晶温度的催化金属的薄层沉积到衬底上。气相在金属催化剂上的吸收产生消耗催化剂的共晶液相。衬底到液相中的进一步吸收引起导致纳米棒生长的过饱和。液滴在生长中的纳米棒之上形成以驱动进一步的气-液-固(VLS)生长。该方法所固有的问题包括：1)催化剂自身在纳米棒中产生不希望有的杂质，这些杂质使物理性质劣化；2)该结构通常具有引起机械不稳定的不支持的基体材料；3)这些纳米棒通常具有平台形的底面使得它们易受引起结构缺陷的应变影响；和4)这些纳米结构可能是非排列和随机分布的，产生变化的电场，这在场发射器件中产生发射无效。此外，典型纳米线的杂乱结构引起尺度上不可控和不希望有的变化，这会改变局部场。弯曲可能导致纳米线之间的完全电短路。

电子束平印(lithography)和干法刻蚀也可以用于制造纳米棒生长用的毛细管。然而，尺寸限制作用，限制了电子束平印中的毛细管的直径并且限制了干法刻蚀中的深度对直径的纵横比。另外，电子束平印技术利用扫描方法，这导致固有缓慢且昂贵的工艺，不适用于工业应用。

在本发明的一方面中，本发明提供了以设计的图案化阵列生长整齐(straightly)排列的单晶纳米棒的方法，该方法包括：提供衬底；在衬底上限定图案；使用离子束注入向衬底中注入离子；和在衬底上沉积薄膜。

第二方面，本发明提供了以设计的图案化阵列生长整齐排列的单晶GaN纳米棒的方法，该方法包括：提供Si衬底；使用平印在衬底上限定图案；使用离子束注入向衬底中注入离子，其中向衬底中注入离子的步骤包含提供选自Si、N、SiN、Ga、GaN的离子及其组合；和通过分子束外延生长在衬底上沉积GaN薄膜，其中形成纳米沟槽用以通过Ga原子的毛细凝结催化GaN纳米棒的生长。

第三方面，本发明提供了以设计的图案化阵列生长整齐排列的单晶GaN纳米棒的方法，该方法包括：提供Si衬底；使用光刻在衬底上限定图案；使用离子束注入向衬底中注入Si离子，其中通过剂量、能量和离子注入过程的温度来控制阵列图案中纳米棒的密度和尺寸；和通过氮等离子增强分子束外延生长在衬底上沉积GaN薄膜，其中形成纳米沟槽用以通过Ga原子的毛细凝结催化GaN纳米棒的生长，其中GaN纳米棒阵列相对于衬底表面排列，其中通过生长时间、温度和Ga/N比例来控制GaN纳米棒的长度对直径的纵横比。

第四方面，通过用掺杂剂掺杂整齐排列的单晶纳米棒的工艺制备的发射器器件，其中通过如下方法制造纳米棒：提供衬底；在衬底上限定图案；使用离子束注入向衬底中注入离子；和在衬底上沉积薄膜。

第五方面，通过如下方法制造的设计图案化阵列中的整齐排列的单晶纳米棒：提供衬底；在衬底上限定图案；使用离子束注入向衬底中注入离子；和在衬底上沉积薄膜。

图1图解说明了依照本发明一个实施方案向衬底上的平印和离子注入；

图2图解说明了依照本发明一个实施方案在离子注入之后于初始薄膜生长期间形成的岛状模点(impingement)；

图3图解说明了依照本发明一个实施方案在薄膜生长的第二阶段期间的纳米棒基础；和

图4图解说明了依照本发明一个实施方案在薄膜生长第三阶段期间的纳米棒。

本发明提出了一种用于以设计的图案化阵列生长整齐排列的单晶纳米棒的方法，该方法通过使用离子束辅助阵列图案来利用毛细凝结生长纳米棒。

根据本发明一个实施方案，通过如下步骤生长处于设计的图案化阵列中的整齐排列的单晶纳米棒：提供衬底2，使用平印4来在衬底上限定图案，使用离子束6向衬底2中注入离子8，和在衬底2上沉积薄膜10来形成纳米沟槽14并通过毛细凝结来催化纳米棒12的生长。