[发明专利]一种无催化剂无碳条件下ZnO纳米棒阵列的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于半导体纳米材料技术领域，特别是一种在无催化剂无碳条件下制备ZnO单晶纳米棒定向阵列的方法和对阵列的结构和性能进行控制的工艺。

背景技术：

ZnO纳米棒阵列结构是构筑未来短波长纳米光电器件的重要材料，它将ZnO优异的光电性质，压电性质，透明导电性及生物兼容性和一维结构的高比表面积和成核位置可控等优点有效地结合起来，在生物、化学、气敏传感器，场发射，纳米激光器，太阳能电池等光电器件方面具有非常诱人的应用前景。然而，要实现ZnO纳米棒阵列在纳米光电器件中的应用，对其质量和结构的控制非常关键。

目前，ZnO纳米棒阵列的制备方法主要包括热蒸发，溶液法，金属有机化学气相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)和脉冲激光沉积(PLD)等。相比而言，热蒸发法不仅具有工艺简单易行和成本较低等优点，而且更容易实现对高质量ZnO纳米棒的质量和结构的控制。目前，热蒸发法主要采用催化剂诱导的VLS(Vapor-Liquid-Solid)工艺和碳热还原法两种工艺。对于VLS生长工艺，近年来主要采用Au作为催化剂模板，制备出了垂直定向排列的ZnO单晶纳米棒阵列，然而，Au纳米颗粒在生长结束后仍会停留在纳米棒的顶端，这对其在未来纳米光电器件中的应用非常不利[[1]S.Kodambaka，J.Tersoff，M.C.Reuter，and F.M.Ross，Science，316，729(2007)；[2]D.F.Liu，Y.J.Xiang，Q.Liao，J.P.Zhang，X.C.Wu，Z.X.Zhang，L.F.Liu，W.J.Ma，J.Shen，W.Y.Zhou，and S.S.Xie，Nanotechnology 18，405303(2007)；[3]H.Zhou，M.Wissinger，J.Fallert，R.Hauschild，F.Stelzl，C.Klingshirn，and H.Kalt，Appl.Phys.Lett.91，181112(2007)；[4]W.I.Park，G.-C.Yi，J.-W.Kim，and S.-M.Park，Appl.Phys.Lett.82，4358(2003)]。而且，该方法常用的衬底是价格昂贵的GaN和电绝缘的蓝宝石等，在硅衬底上的制备研究比较困难和少见，也不利于器件集成和产业化应用。一些研究小组采用碳热还原法也制备出了垂直定向排列的ZnO纳米棒阵列，但该方法在生长中容易引入C杂质原子，对纳米棒阵列在短波长纳米光电器件的应用也较为不利。同时，碳热还原法普遍需要较高的升温速度(25℃/min或更高)来达到生长所需的Zn饱和蒸气浓度，对籽晶薄膜和纳米棒内热应变的释放不利，进而影响后续结构的性能[[5]J.S.Jie，G.Z.Wang，Y.M.Chen，X.H.Han，Q.T.Wang，B.Xu，and J.G.Hou，Appl.Phys.Lett.86，031909(2005)；[6]C.Li，G.J.Fang，N.S.Liu，J.Li，L.Liao，F.H.Su，G.H.Li，X.G.Wu，and X.Z.Zhao，J.Phys.Chem.C 111，12566(2007)；[7]R.T.R.Kumar，E.McGlynn，C.McLoughlin，S.Chakrabarti，R.C.Smith，J.D.Carey，J.P.Mosnier，and M.O.Henry，Nanotechnology 18，215704(2007)]。

因此，在无任何催化剂和碳的条件下，开发出一种在硅衬底上生长ZnO纳米棒垂直定向阵列的工艺非常重要。

发明内容：

本发明的目的是提供一种在无催化剂和碳的条件下在硅衬底上制备高质量ZnO单晶纳米棒定向排列阵列的制备方法和结构控制工艺，为其在短波长纳米光电器件中的应用打下材料基础。

本发明的结构控制工艺具体如下：

1、通过公知的氢氟酸刻蚀法将Si(111)单晶外延片的表面氧化层刻蚀掉，用去离子水冲洗干净后用吹风机吹干，立即转入射频磁控溅射生长室，或者转入激光脉冲沉积室，(简称PLD生长室)，抽真空至10^-3Pa-10^-5Pa；

2、采用射频磁控溅射法或PLD制备具有不同晶体质量和光学性能的ZnO薄膜，具体的制备路线如下：

对于射频磁控溅射法，采用ZnO陶瓷靶和一步生长法即直接300-500℃溅射生长ZnO薄膜，膜厚控制住200-500nm之间；