[发明专利]用于在有图案基底上取向生长纳米线的方法

说明书

关于联邦政府资助研究的声明

在来自国家科学基金拨款号IIP-0620589的拨款下，在美国政府的支持下，本发明的一些部分得以完成。同样地，美国政府可以拥有在这个发明中的某些权利。

                        发明背景

技术领域

本发明涉及纳米线，更具体而言，涉及纳米线的生长和获取。

背景技术

纳米结构，特别是纳米线具有推动全新一代电子器件的潜力。对于这种新一代基于纳米结构的电子器件出现的主要障碍是有效地生长并获取具有一致特性的纳米线和其它纳米结构的能力。生长和获取纳米线的现有方法不便于大规模生产，并且不产生一致的纳米线性能特性。

所需要的是，生长和获取具有一致性能特性的纳米线的系统和方法。

发明内容

本发明提供用于制备纳米线的方法。在一个实施方案中，将一种或多种成核粒子沉积在基底材料上。然后，将成核粒子加热到第一温度，然后与第一前体气体混合物接触，以产生液体合金液滴和引发纳米线生长。然后，将合金液滴加热到第二温度，然后与第二前体气体混合物接触，由此在合金液滴的部位上生长纳米线。在本发明的工艺中使用的基底材料可以是结晶或无定形的。合适地，基底材料包括晶体硅，该晶体硅为多晶或单晶。在其它一些实施方案中，基底可以是无定形SiO₂、Si₃N₄或氧化铝。

本发明还提供用于制备纳米线(例如，Si纳米线)的其它方法。例如，这些方法包括将一种或多种成核粒子(例如，金属催化剂如金纳米粒子)沉积在基底材料上(或将成核纳米粒子沉积在基底表面上(例如，通过加热在表面上的金膜涂层))。然后，将成核粒子加热到第一温度，第一前体气体在所述第一温度分解，从而与成核粒子形成低共熔相，然后该成核粒子与第一前体气体混合物接触，其中第一前体气体混合物包含含有至少一种原子物种(例如，Cl)的第一前体气体，所述至少一种原子物种有助于生长的纳米线的取向(例如，通过下面更详细描述的蚀刻)。然后在纳米线生长开始之后，将该成核粒子与第二前体气体混合物接触，其中所述第二前体气体混合物包括在比第一温度低的第二温度下分解以与成核粒子形成低共熔相的前体气体，并且将所述成核粒子加热到第二温度。

上述方法可以颠倒，以使纳米线生长的工艺用在更低温度的前体气体开始，然后使用第二前体气体(例如，具有有助于纳米线取向的反应性蚀刻剂物种的气体，比如氯)在更高的温度下继续进行纳米线的生长。所使用的第一前体气体优选为在第一温度解离时包含Si和Cl原子的SiCl₄或SiH₂Cl₂。作为蚀刻在硅基底上本身的氧化层的结果，当在晶体基底上生长时，Si原子提供纳米线生长，而Cl原子允许所述线在<111>取向上生长。纳米线生长一旦开始，则可以引入包含前体气体如SiH₄或Si₂H₆的第二前体气体混合物，该气体混合物在比第一前体气体低的温度下分解并与成核粒子形成低共熔相。在第二温度，来自SiH₄或Si₂H₆的解离Si原子继续Si纳米线的生长。因此，在比纳米线生长开始时的温度低的温度下，纳米线生长可以利用自由Si原子继续进行，例如，在使金属催化剂进入到生长纳米线内的扩散最小的同时，允许取向纳米线生长到所需长度。

在这些方法中使用的基底材料可以是结晶或无定形的。合适地，基底材料包含晶体硅，所述晶体硅是多晶或单晶。在其它一些实施方案中，基底可以是无定形SiO₂、Si₃N₄或氧化铝。

在利用晶体基底的实施方案中，在基底材料上生长的线可以优选以外延取向生长。根据本发明的工艺生产的纳米线从基底材料的平面长出，并且能够传输电荷。

在本发明方法的某些合适实施方案中，成核粒子被加热到的第一温度高于合金液滴被加热到的第二温度。合适地，第一温度至少比第二温度高约50℃。在本发明的实践中使用的成核粒子将合适地为金属催化剂，并且将包含金属，所述金属与第一前体气体混合物和第二前体气体混合物这两者反应(即，分解第一和第二前体气体混合物)，形成可以沉淀出Si的低共熔体。合适的金属催化剂包含Au、Pt、Fe、Ti、Ga、Ni、Sn或In，并且在某些这样的实施方案中，可以为Au胶体或Au膜。