[发明专利]用于在石墨基板上生长纳米线或纳米角锥体的方法

说明书

一种用于生长纳米线或纳米角锥体(nanopyramid)的方法，其包含：(I)提供石墨基板并且在升高的温度下将AlGaN、InGaN、AlN或AlGa(In)N沉积于该石墨基板上，以形成所述化合物的缓冲层或纳米级成核岛(纳米尺度成核岛)；(II)优选经由MOVPE或MBE于该石墨基板上的所述缓冲层或成核岛上生长多个半导体III‑V族纳米线或纳米角锥体、优选III‑氮化物纳米线或纳米角锥体。

技术领域

本发明涉及薄石墨层作为透明、导电和柔性(挠性)基板用于纳米线或纳米角锥体(纳米金字塔，nanopyramid)阵列的用途，这些阵列优选通过由下而上方法使用金属-有机汽相外延附生(metal-vapour phase epitaxy，MOVPE)或分子束外延附生(molecular beamepitaxy，MBE)而生长。

背景技术

近年来，随着纳米技术变成重要工程学科，对于半导体纳米线的关注已加剧。已发现纳米线(一些作者也称其为纳米须、纳米棒、纳米支柱或纳米柱等)在多种电和光电装置(例如传感器、太阳能电池至LED)中的重要应用。

出于本申请目的，术语纳米线应理解为基本上呈一维形式的结构，即其宽度或直径具有纳米尺寸且其长度通常在几百nm至几个μm范围内。通常，认为纳米线至少两个尺寸不大于500nm，例如不大于350nm，尤其不大于300nm，例如不大于200nm。

存在许多不同类型的纳米线，包括金属(例如，Ni、Pt、Au)纳米线、半导体(例如，Si、InP、GaN、GaAs、ZnO)纳米线及绝缘(例如，SiO₂、TiO₂)纳米线。本发明人主要关注半导体纳米线，但设想下文详细概述的原理可适用于各种纳米线技术。

常规地，在与纳米线自身相同的基板上生长半导体纳米线(同质外延附生生长(homoepitaxial))。因此，GaAs纳米线生长于GaAs基板和诸如此类上。当然，这确保基板的晶体结构与正生长的纳米线的晶体结构之间的晶格匹配。基板和纳米线二者可具有相同晶体结构。然而，本发明涉及在石墨基板上生长的纳米线。

石墨基板是由石墨烯或其衍生物的单层或多层构成的基板。在其最精细形式中，石墨烯是利用双电子键(称为sp²键)结合在一起且以蜂巢状晶格图案排列的碳原子的单原子层厚的薄片。石墨基板薄、轻且具有柔性(挠性)，但强度极大。

相较于其他现存透明导体(例如ITO、ZnO/Ag/ZnO、TiO₂/Ag/TiO₂)，已证明石墨烯具有优良光电性质，如在Nature Photonics 4(2010)611中最近的综述文章中所显示的。

纳米线于石墨烯上的生长并不是新兴的。在WO2012/080252中，讨论了半导体纳米线利用分子束外延附生在石墨烯基板上的生长。WO2013/104723涉及针对‘252公开内容的改进，其中在石墨烯上生长的纳米线上采用石墨烯顶部触点。

对于许多应用而言，纳米线可垂直于基板表面生长将是重要的。半导体纳米线通常在[111]方向上(若为立方晶体结构)或[0001]方向上(若为六方晶体结构)生长。这意味着基板表面需要为(111)或(0001)定向，其中基板的表面原子以六方对称排列。

然而，一个问题在于难以使纳米线于石墨烯基板上成核。由于石墨烯的表面没有悬挂键(悬键，dangling bond)，因此难以生长任何纳米线。石墨烯也是惰性的，使得正生长的纳米线与基板之间不可能进行任何反应。本发明尤其涉及石墨烯表面的官能化或在石墨烯表面的顶部上包括新层或小岛以增强纳米线于其上的成核。然而，本发明人仍然受益于石墨烯在其强度、柔性、透明度及电导率方面的卓越性质。

本发明人已惊奇地发现可以多种方式实现纳米线或纳米角锥体成核的改进。

发明内容