[发明专利]通过多级异质结构纳米材料构筑微电子器件的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米半导体微电子器件技术领域，具体涉及一种利用电纺丝技术并结合水热合成技术制备具有多级异质结构的纳米半导体材料，并用于构筑高性能稳定微电子器件的方法。

背景技术

微电子器件由于具有体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快、读写密度高等优点，对信息时代的发展具有巨大的影响。场效应晶体管是当前半导体电子器件中最简单也是最重要的结构单元，是目前被研究最为深入的一种器件。根据材料种类可以分为无机场效应晶体管和有机场效应晶体管，虽然有机场效应晶体管在价格、柔性及器件制作和操作上相比无机场效应晶体管有很大的优势，但是更低的电子迁移率(一般在0.01cm²/Vs以下)成为限制其真正应用与发展的瓶颈。此外，现有的有机和无机场效应晶体管在寿命和稳定性上也是无法满足当前的电子工业需求的，尚需要进一步提高。并且以往的方法有时需要复杂的处理过程，这会增加工艺程度，价格也会升高不利于推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电纺丝技术并结合水热合成技术制备具有多级异质结构的纳米半导体材料，并用于构筑高性能稳定微电子器件的方法。

准一维微纳米结构由于具有大的比表面积与长径比，因而具备了优异的电子特性，近年来备受关注。而静电纺丝技术是一种能够生产超长连续的一维微纳米材料的方法，且该技术具有设备简单，生产成本低，使用材料广泛以及产出纤维尺寸均匀，比表面积大等优点，已经被证明是一种有效的、方便的组装电子器件的新方法。因此在本发明中，我们提供了一种利用静电纺丝技术并结合水热合成技术制备具有多级异质结构的纳米半导体材料，并用于构筑高性能稳定微电子器件的方法。

该多级异质结构的纳米材料是以电纺烧结得到的无机氧化物纳米纤维为主干，通过水热反应后续在纤维表面沉积生长无机氧化物纳米棒，获得准一维树枝状多级异质结构的纳米材料。之后组装成场效应晶体管，场效应晶体管具有超高的电子迁移率，并且长寿命及高稳定性远远超过了其它大多数场效应晶体管。如锐钛矿二氧化钛纳米纤维/金红石二氧化钛纳米棒多级结构的场效应晶体管最大电子迁移率可以达到10cm²/Vs以上，随着时间延长和湿度的增大，性能几乎没有出现衰减。

本发明所述方法工艺简单，成本低廉，重复性好，能够制备出长效、稳定且高性能的无机场效应晶体管，可以为电子领域高性能场效应晶体管的发展与应用开拓思路。

本发明所述的通过多级异质结构构筑高性能稳定微电子器件，其包括如下步骤：

一：准一维树枝状多级异质结构纳米材料的制备

A.将0.3～1g可溶性高分子化合物加入到5～10ml溶剂1(N，N-二甲基甲酰胺、乙醇和水中的一种或几种)中，在室温～100℃条件下搅拌至溶液完全澄清，然后冷却至室温；

B.将0.2～2.0g可溶性无机盐或可溶性无机氧化物前驱体加入到3～6ml溶剂2(N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、乙酸和水中的一种或几种)中，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀；然后将获得的溶液快速加入到步骤A的溶液中，搅拌使两种溶液混合均匀；

C.将步骤B获得的混合溶液放入静电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管的管头内径为0.5～3mm，以铝套为阳极，用间距为2～3cm的两条平行铝条或不锈钢条作为阴极板接受产物，两极间的距离为10～30cm，在两极间施加6～30KV的电压进行电纺丝，从而在阴极上获得平行排列的含有高分子化合物的纳米纤维；

D.用清洗干净的石英片把阴极板间的含有高分子化合物的纳米纤维收集起来，在空气中放置10～20小时，然后在400～700℃温度下烧结3～5小时以除去高分子化合物；或直接将阴极板与含有高分子化合物的纳米纤维在400～700℃温度下烧结3～5小时后，再用清洗干净的石英片或聚四氟乙烯衬底收集氧化物纤维；从而在石英片或聚四氟乙烯衬底上得到直径50～300nm的平行排列的无机氧化物纳米纤维；

E.另取0.1～2.0g可溶性无机盐或可溶性无机氧化物前驱体与10～40ml的溶剂3(乙醇、盐酸和水中的一种或几种)混合均匀，将该溶液与步骤D中获得的石英片或聚四氟乙烯衬底转移到水热反应釜的体系中，进行水热反应，从而在步骤D的无机氧化物纳米纤维表面水热生长大量的无机氧化物纳米棒，然后取出衬底洗涤干燥，即在石英片或聚四氟乙烯衬底表面得到具有准一维树枝状多级异质结构的无机氧化物纳米材料；