[发明专利]利用脉冲激光烧蚀制备Si纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明属于硅纳米材料制备领域，具体涉及一种利用常规脉冲激光烧蚀(PLA)设备，在单晶Si衬底上制备大量尺寸可控硅纳米线的方法。

背景技术

准一维纳米材料由于其奇特的结构与物理性能不仅为基础物理提供了可贵的研究对象，也预示着巨大的应用前景和经济利益，将给传统的材料，微电子等领域带来革命性的改革。Si纳米材料由于其局域效应，具有良好的光致发光性能，渴望与传统的Si基大规模集成电路结合，在光电器件中得到应用。十几年来，在材料和器件物理学家的共同努力下，各类Si基低维纳米材料在光电子器件方面的应用取得了可喜进展。

自从1988年，Furukawa等利用反应溅射的方法，成功地得到了纳米硅薄膜，并首次将纳米硅的能带蓝移归因于纳米硅晶粒的量子尺寸限制效应以来，Si基纳米材料，包括产生光致发射(PL)和电致发射(EL)的零维Si基纳米薄膜，Si纳米颗粒和Si纳米线等已经被广泛研究。而应用器件主要集中在Si基纳米线在光照或电注入条件下产生电子和空穴，并使其发生辐射复合而发光的二极管。目前Si基纳米线的应用瓶颈在于纳米Si晶粒尺寸和形状的可控性难以实现。尽管目前采用PECVD、PLA等技术可以制备不同尺寸的Si纳米线，但是制备的Si纳米线由于其尺寸分布不均匀、空间分布无序，很难期望有良好的、可重复的电输运与光学特性。到目前为止，已经有许多研究机构在探索化学气相沉积、激光烧蚀、和分子束外延等技术制备尺寸和形状可控硅纳米线。

从微纳电子制造兼容性方面考虑，选取高效、洁净的物理气相沉积手段制备纳米线是一种最有可能实际应用的技术。我们知道，脉冲激光烧蚀法(PLA)属于“干法”制备，不需SiH₄、H₂等易燃易爆有毒气体，最可能和现有硅工艺技术兼容，因此得到了长足的发展。另外脉冲激光烧蚀技术还具有玷污小和生长速率快等优点，引起了人们的广泛关注。Lee等人在低真空下合成了尺寸差异较大的硅纳米线，发现缓冲气体压力对于激光烧蚀制备纳米线的直径有影响显著，调整缓冲气体压力可以在一定程度上控制最终合成纳米线的尺寸。同时，很对研究已经发现，在金属催化剂存在的条件下，可以使用PLA方法制备出链状Si纳米线，而其中的点状颗粒经常是硅化物或至少含有金属催化剂。然而，在常压下使用PLA方法合成Si纳米线的方法还未见报道。同时，也很少有使用PLA合成不含催化剂的链状Si纳米线的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用脉冲激光烧蚀(PLA)制备Si纳米线的方法，采用普通脉冲激光沉积设备，并未添加模板，借助脉冲激光器，改变可变参数，实现Si纳米线的尺寸和形状的可控生长。并且能够实现在常压下生长Si纳米线。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用脉冲激光烧蚀(PLA)制备Si纳米线的方法，该方法包括以下步骤：

(1)选择含硅材料，压制成靶，作为硅源；

(2)以单晶硅片作为衬底材料，采用标准的RCA硅片清洗工艺对衬底材料进行清洗，清洗干净的单晶硅片固定在氧化铝样品托上；

(3)将靶和衬底材料置于氧化铝管中，抽真空至真空度为10Pa，然后通入高纯Ar或He气(纯度＞99.95％)使环境气压为100～1000torr，将靶加热至1000-1300℃；

(4)采用脉冲激光烧蚀靶，在衬底材料上收集硅纳米线。

在本发明的利用脉冲激光烧蚀(PLA)制备Si纳米线的方法中，所述靶与衬底材料之间的距离为0～40cm，且≠0。

步骤(1)中所述Si、SiO₂和高纯SiO的纯度均纯度＞99.99％。

步骤(1)中所述含硅材料为Si和SiO₂的混合物所组成的材料或为高纯SiO，其中，Si和SiO₂的混合物所组成的材料中的Si和SiO₂的混合摩尔比例为3∶7。

步骤(3)在实际操作时，使用真空泵对氧化铝管进行真空处理，当设备真空达到10Pa后，通入高纯Ar或He气体至常压，然后再次使用机械泵对氧化铝管的真空进行处理。反复操作，赶出其中的氧气，最后以400SCCM的速率向氧化铝管中充高纯Ar气，调节抽气速率使真空度保持在一定的压力，使环境气压为100～1000torr。

步骤(4)中使用KrF准分子脉冲激光源烧蚀靶材，激光的能量密度位1～10mJ/cm²，优选为5mJ/cm²；激光的频率为1～10Hz，优选为1Hz；激光脉宽为10ns。