[发明专利]一种超细单晶Si纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，特别涉及一种超细单晶Si纳米线及其制备方法。

背景技术

小尺寸的单晶半导体纳米线由于在基础科学研究和先进技术应用方面具有潜在的应用价值，因而受到了材料科学界的广泛关注与研究。一维纳米线的特殊性能有别于相应的块体材料，例如，随着纳米线直径的减小，其自身受量子限制效应、非局域量子相干效应、非线性光学效应等的影响会表现出更独特的性质。

随着现代技术的飞跃发展，Si材料在半导体工业和微电子制造技术领域已具有了重要的地位和其成熟的加工工艺，但由于块体Si是一种间接带隙半导体材料，其发光效率低，且不能发出可见光，使其在光电子器件中的应用受到了很大的限制。相比而言，Si纳米线不仅具备因受尺寸限制而表现出的有别于块体Si材料的特殊物理性质，特别在光学性质上表现突出，而且与目前的基于半导体Si材料的集成电路产业技术具有良好的兼容性，所以，基于Si纳米线的纳米级器件被广泛认为在半导体纳米器件领域具有广阔的应用前景，国际上已有大量文献报道基于Si纳米线的太阳能电池、生物纳米探测仪、场效应发射管等纳米电子器件。

目前Si纳米线的制备方法有脉冲激光辅助沉积法（PLD）、化学气相沉积法（CVD）以及氧化物辅助的热蒸发法 (OAG)。由于采用PLD法生长Si纳米线要求原材料与生长基底处于不同的温度，而该方法普遍采用单一热源，这就要求生长基底与原材料之间存在一定距离以实现二者处于不同温度，因而对生长基底的温度不能直接测量，需借助外接测温设备，操作不便；为保证气-液-固生长能顺利进行，在生长过程中引入了价格昂贵的金属催化剂（比如Au），这可能在生成的Si纳米线中形成深能级杂质，且该方法使用的设备昂贵，生产成本高。CVD法同样在生长过程中会使用价格昂贵的金属催化剂，而且在生长过程中通入的原材料气体（比如SiH₄或SiCl₄）通常具有毒性，不仅对环境有污染，而且对操作者的身心健康存在负面影响，此外，由于该方法需要精准地控制原材料气体的混合比例及流量，因而需要采用昂贵的精密设备仪器，导致成本过高。

使用CVD、PLD等方法制备的Si纳米线直径普遍要大于Si的激子波尔半径（约5nm），导致Si纳米线的发光性能受到极大的影响。虽然目前有少量的研究组采用CVD法制备出了小直径的Si纳米线，但在纳米线的生长过程中采用了金属催化剂，导致产物中含有金属催化剂。金属催化剂不仅会对Si纳米线的纯度造成一定程度的污染，而且会影响Si纳米线的本质特征，例如缺陷、晶体结构、比表面积、导电性和结构致密等性能。此外，目前采用OAG法制备的Si纳米线为Si/SiO₂核壳结构，不仅纳米线的直径较大，而且外壳的氧化层会直接影响材料的发光性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超细单晶Si纳米线及其制备方法，以获得直径更小且不含催化剂的Si纳米线，并简化操作，降低生产成本。

本发明提供的超细单晶Si纳米线，其直径为1.5~2.5nm，且不含催化剂。

本发明所述超细单晶Si纳米线的制备方法，工艺步骤依次如下：

（1）生长基底及载物盘的清洗

以Si基底作为超细单晶Si纳米线的生长基底，Al₂O₃陶瓷片作为载物盘，分别将所述生长基底和载物盘依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗至完全去除其上的污垢，然后将所述生长基底于15~25 v%的氢氟酸水溶液中浸泡3~8min，浸泡时间届满后用去离子水冲洗生长基底去除氢氟酸，继后将经过前述处理的生长基底和载物盘用氮气枪吹干；

（2）超细单晶Si纳米线的生长

①将SiO粉末平铺在第一载物盘上并放入双温区管式炉的高温区中心部位，将所述生长基底放在第二载物盘上并放入双温区管式炉的低温区中心部位；所述SiO粉末的量为每1cm²第一载物盘12.8~14.4mg；所述生长基底的中心与铺有SiO粉末的第一载物盘的中心之间的距离为33~35cm；

②在通载流气体条件下将双温区管式炉的低温区升温至950~960℃，高温区升温至1300~1350℃，并使炉内压强保持在0.02~0.04Mpa，然后在上述温度和压强保温4~6h，保温时间届满后，所述生长基底上即生长出超细单晶Si纳米线；所述载流气体为H₂和Ar组成的混合气体， H₂的体积百分数为3~7%，Ar的体积百分数为93~97%。