CN101127380B - 垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垂直在SOI结构衬底上的ZnO(氧化锌)纳米结构及其制备方法。本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构是在SOI结构衬底表面垂直生长有呈六边形结构的ZnO纳米盘，ZnO纳米盘均是六方纤锌矿结构的单晶，其为厚度相对于对角线长度小得多的超薄结构，其厚度和对角线长度分别介于10～20nm和0.8～3μm，因此具有超薄的形貌特征。本发明纳米盘的制备采用化学气相沉积方法，所用设备简单，易于操作；对载气要求不高，只需要氩气就可以，不需要加氧气(利用瓷管内残余氧气来同蒸发的锌蒸气进行反应生成氧化锌)等另外的气体；并且不需要使用金属催化剂，能保证较高的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直在SOI结构(Silicon-on-Insulator)衬底上的ZnO(氧化锌)纳米结构及其制备方法，特别是垂直在SOI结构基片上的二维超薄ZnO六角盘状纳米结构及其制备方法，属于半导体光电子材料及器件技术领域。
技术背景
ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体(3.3eV)，并且具有较高的激子束缚能(60meV)，在光电子器件领域具有广阔的应用前景，因此引起了全世界范围内的广泛关注。当前，人们利用溶液法、热蒸发法、模板限制辅助生长法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法等，已经制备出多种不同的ZnO纳米结构，其中包括具有线状、花状、环状、带状、柱状、塔状、笼状、梳状等形貌特征的ZnO纳米结构。在这些纳米结构中，ZnO纳米盘作为结构单元，可以广泛应用于纳米激光器、传感器等纳米光电子器件。但是，迄今为止关于超薄型的ZnO纳米盘的报道太少，而将超薄型的ZnO纳米盘集成生长在具有优越电子学性能的SOI结构(Silicon-on-Insulator)基片上更是未见有报导；但由于其独特的结构特性和优良的光学性能，超薄ZnO纳米盘的潜在价值已经被人们所发现，正在成为光电子纳米材料中研究的一个热门领域
发明内容
本发明的目的是提供一种使用SOI结构基片作为衬底，将具有优良光电性能的ZnO纳米结构引入到SOI结构衬底上的垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构。本发明有利于实现高度集成的SOI基的光电子器件。
本发明的另外一个目的在于提供一种易于操作；对载气要求不高，并且不需要使用金属催化剂，能保证较高的晶体质量的垂直在硅/绝缘层结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法。
本发明采用以下技术方案：本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构，其是在SOI结构衬底表面垂直生长有呈六边形结构的ZnO纳米盘。
上述呈六边形结构的ZnO纳米盘均是六方纤锌矿结构的单晶。
上述呈六边形结构的ZnO纳米盘为厚度相对于ZnO纳米盘的对角线长度小得多的超薄结构，ZnO纳米盘的厚度和ZnO纳米盘的对角线长度分别介于10～20nm和0.8～3μm。
本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法，具体工艺步骤如下：
a)将SOI结构基片依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，然后将清洗干净的硅/绝缘层结构基片烘干备用；
b)将锌粉置于瓷舟内，然后在锌粉的正上方倒置一片干净的硅/绝缘层结构基片作为衬底，用来收集反应生成物；
c)将装有锌粉的瓷舟置于一根瓷管的中间位置然后将瓷管放入加热电炉内，瓷管位于加热电阻丝的正上方；
d)将加热电炉以40～80℃/min的升温速率加热，并通入氩气流作为载气；
e)当温度达到800℃～900℃时、停止升温，保持瓷舟内温度在800℃～900℃、持续50～70分钟，在此过程中氩气流量保持不变。然后关掉加热电源，让瓷舟自然冷却到室温，取出瓷舟；在SOI基片表面得到的白色产物就是ZnO盘状纳米结构。
上述步骤b)中采用纯度为99％以上的锌粉作为原材料。
上述步骤d)中氩气流的流量控制在8cm3/min～12cm3/min。
本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构，使用SOI结构基片作为衬底，将具有优良光电性能的ZnO纳米结构引入到SOI结构衬底上，有利于实现高度集成的SOI基的光电子器件。本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法，采用化学气相沉积法制备，所用设备简单，易于操作；对载气要求不高，只需要氩气就可以，不需要加氧气(利用瓷管内残余氧气来同蒸发的锌蒸气进行反应生成氧化锌)等另外的气体；并且不需要使用金属催化剂，能保证较高的晶体质量。
附图说明
图1为本发明采用的反应装置示意图。
图2为本发明所制备出的垂直于SOI结构衬底上的超薄ZnO六角盘状纳米结构场发射扫描电镜(FESEM)图片。
图3为本发明所制备的垂直于SOI结构衬底上的超薄ZnO六角盘状纳米结构的X-射线衍射(XRD)谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构，其是在SOI结构衬底表面垂直生长有呈六边形结构的ZnO纳米盘。上述呈六边形结构的ZnO纳米盘均是六方纤锌矿结构的单晶。上述呈六边形结构的ZnO纳米盘为厚度相对于ZnO纳米盘的对角线长度小得多的超薄结构，ZnO纳米盘的厚度和ZnO纳米盘的对角线长度分别介于10～20nm和0.8～3μm。
本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法，具体工艺步骤如下：
1)首先将SOI基片依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，然后将清洗干净的SOI基片烘干备用；
2)将10g纯度为99.9％的锌粉置于瓷舟上，然后在锌粉的正上方倒置一片干净的SOI基片，作为衬底，用来收集反应生成物；
3)将装有锌粉的瓷舟置于一根瓷管的中间位置，然后将瓷管放入加热电炉内，瓷管位于加热电阻丝的正上方；
4)将加热电炉以60℃/min的升温速率加热，并且通入10cm3/min氩气流作为载气；
5)当温度达到850℃、停止升温，保持瓷舟内温度在850℃、持续60分钟，在此过程中氩气流量保持不变。然后关掉加热电源，让瓷舟等自然冷却到室温，取出瓷舟，在SOI基片表面得到的白色产物就是ZnO六角盘状纳米结构。
本实施例制备的ZnO样品在场发射扫描电子显微镜(FESEM)上拍摄的表面形貌照片，见图2。由图可以清楚的看到ZnO纳米盘垂直生长在基片上，且呈六边形结构。纳米盘表面光滑，形状规整。ZnO纳米盘的对角线长度约0.8～3μm，ZnO纳米盘的厚度约10～20nm；它们大部分垂直于基片表面。
本实施例制备的ZnO样品的X-射线衍射(XRD)谱图，见图3。由XRD结果可知ZnO纳米盘属于六方纤锌矿结构。
实施例2：
本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构与实施例1相同，其制备方法的具体工艺步骤如下：
1)首先将SOI基片依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，然后将清洗干净的SOI基片烘干备用；
2)将8g纯度为99.0％的锌粉置于瓷舟上，然后在锌粉的正上方倒置一片干净的SOI基片，作为衬底，用来收集反应生成物；
3)将装有锌粉的瓷舟置于一根瓷管的中间位置，然后将瓷管放入加热电炉内，瓷管位于加热电阻丝的正上方；
4)将加热电炉以40℃/min的升温速率加热，并且通入8cm3/min氩气流作为载气；
5)当温度达到800℃、停止升温，保持瓷舟内温度在800℃、持续50分钟，在此过程中氩气流量保持不变。然后关掉加热电源，让瓷舟等自然冷却到室温，取出瓷舟，在SOI基片表面得到的白色产物就是ZnO六角盘状纳米结构。
实施例3：
本发明垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构与实施例1相同，其制备方法的具体工艺步骤如下：
1)首先将SOI基片依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，然后将清洗干净的SOI基片烘干备用；
2)将12g纯度为99.5％的锌粉置于瓷舟上，然后在锌粉的正上方倒置一片干净的SOI基片，作为衬底，用来收集反应生成物；
3)将装有锌粉的瓷舟置于一根瓷管的中间位置，然后将瓷管放入加热电炉内，瓷管位于加热电阻丝的正上方；
4)将加热电炉以80℃/min的升温速率加热，并且通入12cm3/min氩气流作为载气；
5)当温度达到900℃、停止升温，保持瓷舟内温度在900℃、持续70分钟，在此过程中氩气流量保持不变。然后关掉加热电源，让瓷舟等自然冷却到室温，取出瓷舟，在SOI基片表面得到的白色产物就是ZnO六角盘状纳米结构。
Claims (6)
1.一种垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构，其特征在于在SOI结构衬底表面垂直生长有呈六边形结构的ZnO纳米盘。
2.根据权利要求1所述的垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构，其特征在于上述呈六边形结构的ZnO纳米盘均是六方纤锌矿结构的单晶。
3.根据权利要求1所述的垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构，其特征在于上述呈六边形结构的ZnO纳米盘为厚度相对于ZnO纳米盘的对角线长度小得多的超薄结构，ZnO纳米盘的厚度和ZnO纳米盘的对角线长度分别介于10～20nm和0.8～3μm。
4.一种根据权利要求1所述垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法，具体工艺步骤如下：
a)将SOI结构基片依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，然后将清洗干净的SOI结构基片烘干备用；
b)将锌粉置于瓷舟内，然后在锌粉的正上方倒置一片干净的SOI结构基片作为衬底，用来收集反应生成物；
c)将装有锌粉的瓷舟置于一根瓷管的中间位置，然后将瓷管放入加热电炉内，瓷管位于加热电阻丝的正上方；
d)将加热电炉以40～80℃/min的升温速率加热，并且通入氩气流作为载气；
e)当温度达到800℃～900℃时、停止升温，保持瓷舟内温度在800℃～900℃、持续50～70分钟，在此过程中氩气流量保持不变，然后关掉加热电源，让瓷舟自然冷却到室温，取出瓷舟；在SOI基片表面得到的白色产物就是ZnO盘状纳米结构。
5.根据权利要求4所述的垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法，其特征在于上述步骤b)中采用纯度为99％以上的锌粉作为原材料。
6.根据权利要求4所述的垂直在SOI结构衬底上的ZnO纳米结构的制备方法，其特征在于上述步骤d)中氩气流的流量控制在8cm3/min～12cm3/min。
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