[发明专利]一种自掩模单结多端三维纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构制备技术领域，是一种自掩模单结多端三维纳米结构的制备方法，特别是一种基于薄膜材料、自由站立的纳米图形以及离子束辐照的自掩模刻蚀形成的单结多端三维功能纳米结构的方法。

背景技术

过去几十年的发展经历表明，微电子领域器件集成的发展很快就会达到物理及/或经济上的极限。纳米电子器件是继微电子器件之后的下一代固体电子器件，其主要思想是基于纳米功能材料的量子效应来设计并制备纳米量子器件，以达到将集成电路进一步减小，并替代传统的硅器件的终极目标。为了突破传统的微电子集成工艺的极限，大量的科研工作者已投入越来越多的人力物力来研究新材料，先进的工艺技术与新器件类型。过去的十多年里，纳米科技的快速发展使得人们能够生长形貌丰富的功能独特的各种纳米材料，为器件新奇物性研究提供了基础与机遇。一维/准一维纳米材料由于其独特的物理特性以及其在电子、光子及生物传感等纳米器件上的应用而备受关注。为实现器件与电路的高集成度与多功能化，研究人员们不断地合成出形貌丰富的无序或有序排列的自由站立的三维纳米材料。三维结构不仅具有几何结构的丰富性，机械性能的可调制性，其自身就具有一定的功能，是纳米器件高密度多功能集成的关键，是纳米材料与器件发展的方向与必然。然而纳米材料的有序程度以及空间分布的有效控制，纳米材料形貌以及尺寸的均匀性与一致性问题，以及怎样实现这些材料的空间电极的有效制备问题都是这些材料在新型器件应用中必须的且亟待解决的技术问题。

目前采用的三维纳米材料制备方法包括模板生长法。如在文献“Microstructural effects on the magnetic and magneto-transportproperties of electrodeposited Ni nanowire arrays”《Nanotechnology》，2010，Vol.21：425602中，采用阳极氧化铝为模板，通过电化学沉积或化学气象沉积等方法实现模板内Ni纳米线的填充。此方法能实现材料的有序生长，不同材料的生长，但其不足在于生长的纳米材料无法直接用于逻辑功能器件的制备，对单个纳米材料的物性测量，需经历提取-分散-转移以及电极制备等工艺部骤，模板溶解后的材料杂乱无章，不能实现三维器件的制备。非模板法中的材料生长方法可通过生长条件与工艺过程实现多端纳米材料的生长。如在文献“Vapour-phase growth，purification and large-area deposition ofZnO tetrapod nanostructures”.《Cryst.Res.Technol.》，2010，Vol.45：中，为实现高效率的统一形貌的ZnO四臂纳米晶的生长，通过对传统气相沉积工艺的优化，得到形貌基本一致的四臂纳米晶，然后通过真空快速热退火-氧气环境中的高温退火-液态溶解处理步骤来提纯材料。最后通过极化溶液下的悬浮分层方法将不同尺寸的四臂纳米晶进行分散分离，以获得尺寸均匀的多端纳米材料。此方法工艺复杂，在三维纳米器件应用中的不足之处还包括：(1)获得的纳米材料空间位置的分布仍然无法控制；(2)仍存在材料尺寸与化学组分的均匀性问题，无法获得一致的器件特性，从而很难用于可编程的逻辑功能器件与电路的制备；(3)存在纳米材料与支撑衬底间的牢固性与机械性能稳定性等问题。另外一种可以克服上述某些不足的三维纳米材料的制备方法是基于聚焦离子束直写技术。采用此工艺可生长任意几何形貌的三维纳米材料，并实现空间与平面内分布的高可控性。但此工艺中可用的气态分子源的种类非常有限，限制了可生长的材料种类，无法满足多功能器件的制备。

发明内容

本发明的目的是克服现有纳米材料制备技术中存在的缺陷，提供一种自掩模单结多端三维纳米结构的制备方法，在制备中，位置，结构与尺寸精确可控，三维纳米结构的物性与机械性能均匀可靠，为纳米器件物性的稳定，集成度的提高以及与多功能混合集成提供了新的技术途径。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种自掩模单结多端三维纳米结构的制备方法，其包括下列步骤：

(1)衬底上功能薄膜材料的生长：使用化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、等离子体激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、热蒸发、溅射、电镀，旋转敷涂其中之一或组合的方法，在导体，半导体或电介质薄膜材料上生长；

(2)功能薄膜材料上自掩模微纳米材料的生长：