[发明专利]一种利用双金属催化剂制备纤锌矿结构硅纳米线的方法

说明书

本发明公开了一种利用双金属催化剂制备纤锌矿结构硅纳米线的方法，包括步骤：(1)以干净的硅片为衬底，采用真空热蒸发镀膜方法在衬底上蒸镀两种金属催化剂，形成厚度为2～10nm的双金属催化剂；两种金属催化剂为铝和金、铝和锡、或铝和铟；(2)惰性气体环境中，将步骤(1)蒸镀后的衬底加热至其上的双金属催化剂熔融产生液相，SiO蒸气在惰性气体的运输下在加热的衬底上持续反应沉积形成纤锌矿结构硅纳米线。本发明通过热蒸发低毒性的SiO得到了六方纤锌矿结构硅纳米线，简化了制备流程、降低了制备成本。

技术领域

本发明涉及纤锌矿结构硅纳米线的制备领域，具体涉及一种利用双金属催化剂制备纤锌矿结构硅纳米线的方法。

背景技术

基于量子限域效应，一维硅纳米线表现出不同于体硅的电学、光学以及热传导特性，使其成为微电子器件和光电子器件中的重要组件。目前制备硅纳米线的手段主要有：化学气相沉积、热蒸发、分子束外延、激光烧蚀、溶液法和化学蚀刻等。这些方法各具优点，但是制备方法的选择很大程度上取决于纳米线的应用场合。

目前为止，绝大部分的硅纳米线都是以立方金刚石结构存在，无论是发光效率还是发光波段都无法满足光通讯体系的要求。因此，如何克服硅材料的“先天不足”、制备硅基高质量光源已成为目前硅基光电子学领域研究人员正在集中攻关的重点之一。

1974年，Gnutzman提出布里渊区空间折叠理论，即间接带隙半导体以超晶格结构存在时布里渊区会发生折叠实现直接光学带隙转变(Gnutzmann,U.and K.Clausecker,Theory of Direct Optical Transitions in an Optical Indirect Semiconductorwith a Superlattice Structure.Applied Physics,1974.3:p.9-14.)。

近期，基于该理论报道了纤锌矿结构的锗为直接带隙半导体，类似的硅也存在纤锌矿结构的同素异形体(C.,et al.,Accurate electronic and opticalproperties of hexagonal germanium for optoelectronic applications.PhysicalReview Materials,2019.3(3).)。

六方纤锌矿结构硅(Si-IV)的直接禁带宽度(1.5eV)位于可见光范围内，在可见光区域的发光效率高出金刚石结构硅的2～3个数量级，其间接带隙宽度(0.8eV)则与光通讯用石英光纤的低损耗波长相一致。更有趣地是，它在张应变作用下或合金化后会转变为直接带隙半导体，其带隙宽度可以通过张应变和组分比例进行调控，因此六方纤锌矿结构硅在硅基光电子领域具有极大应用潜力。

现阶段，化学气相沉积是生长六方纤锌矿结构硅纳米线的主流方法。2007年，A.FontcubertaiMorral首次利用CVD法在镀金的硅基底上合成了纤锌矿结构硅纳米线Si-IV_A和Si-IV_B，他们认为硅纳米线的晶相与其直径有关，并尝试从表面应力和表面自由能的角度解释纤锌矿结构硅纳米线的生长机理(A.FontcubertaiMorral,J.Arbiol,J.D.Prades,A.Cirera,and J.R.Morante.Synthesis of Silicon Nanowires withWurtzite Crystalline Structure by Using Standard Chemical VaporDeposition.Advanced Materials,2007,19(10):1347-1351)。