[发明专利]一种晶化硅纳米棒阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶化硅纳米棒阵列的制备方法，属于纳米硅材料的制备与应用技术领域。

背景技术

一维纳米结构半导体材料在纳米电子学、化学和生物传感器、太阳电池等方面具有广阔的应用前景。除了VLS技术之外，目前制备一维纳米结构的方法还包括纳米光刻技术，以溶液为基的化学方法和以模板为核心的技术途径等，基于上述方法，多种材料已被制备成纳米棒，但这些技术分别具有技术复杂、难以控制掺杂浓度、难以控制纳米棒的取向和直径、难以大面积生长和较难实现异质纳米结构的制备等问题。使得以上方法在实际应用中受到限制。

掠角沉积技术建立在定向气流、掠角入射和影蔽效应基础上，可定向生长纳米棒，是可进行纳米结构设计和制备的有效技术之一。基本原理是：在固定或旋转衬底上，生长前驱物或反应基元定向掠角入射，利用早期晶核的影蔽效应，定向生长纳米棒。目前已报道的掠角沉积技术中，沉积束流主要是采用蒸发、溅射、电子束蒸发和脉冲激光熔蒸等物理气相沉积来实现的。多数情况下，制备的硅纳米棒为非晶态，使得应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种晶化硅纳米棒阵列的制备方法，将掠角技术和热丝化学气相沉积技术结合，利用影蔽效应和热丝化学气相沉积低温(＜＝500度)、无离子轰击、大量原子氢易于晶化的特点，在不同衬底上定向生长硅纳米棒。

本发明提出的晶化硅纳米棒阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)将清洗后的衬底放入真空腔的衬底架上，使真空腔的真空度为1×10^-3帕-1×10^-4帕；

(2)在上述真空腔中，以高纯钨丝或钽丝作为热丝源，热丝源与所述的衬底之间的距离为7～17cm，使热丝温度达到1600-2000℃；

(3)向真空腔中通入氢气和硅烷的混合气体作为反应气体，氢气和硅烷的比例为：氢气∶硅烷＝1-5∶1，入射气流穿过所述的热丝源，入射气流与衬底法线之间的夹角为75°-85°，反应气体的气压为0.01-0.3帕，衬底旋转速率为0-30转/分。

所述制备方法中，衬底可以为单晶硅片、玻璃片或不锈钢片。

本发明提出的晶化硅纳米棒阵列的制备方法，采用热丝化学气相沉积源代替了通常掠角技术中采用的物理沉积源，可方便地通过选用不同的气源来制备不同种类的纳米棒材料，拓展了材料的种类。例如硅烷、氢气等作为反应气体。本发明制备方法中，用氢稀释硅烷，充分利用了在热丝化学气相沉积过程中产生的原子氢的晶化作用，可在低的衬底温度下直接获得晶化的硅纳米棒。这是无离子的过程，有利于提高纳米材料的质量。用本方法制备硅纳米棒阵列，制备工艺简单，衬底温度低，可实现纳米棒的定向生长、低温晶化，可应用于太阳电池、微电子和传感器等领域。

附图说明

图1是本发明提出的晶化硅纳米棒阵列的制备方法的示意图

图2是本发明一个实施例制备的硅纳米棒的截面图。

图3是本发明实施例制备的硅纳米棒的Raman散射图。

图1中，1是进气口，2是热丝，3是定向气流，4是可旋转的衬底，5是入射气流与衬底法线之间的夹角。

具体实施方式

本发明提出的晶化硅纳米棒阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)将清洗后的衬底放入真空腔的衬底架上，使真空腔的真空度为1×10^-3帕-1×10^-4帕；

(2)在上述真空腔中，以高纯钨丝或钽丝作为热丝源，热丝源与所述的衬底之间的距离为7～17cm，使热丝温度达到1600-2000℃；

(3)向真空腔中通入氢气和硅烷的混合气体作为反应气体，氢气和硅烷的比例为：氢气∶硅烷＝1-5∶1，入射气流穿过所述的热丝源，入射气流与衬底法线之间的夹角为75°-85°，反应气体的气压为0.01-0.3帕，衬底旋转速率为0-30转/分。

上述制备方法中，衬底可以为单晶硅片、玻璃片或不锈钢片。

本发明制备方法中的热丝可以是弹簧状的、直线的，可以横向安装也可以纵向安装。