CN101219777A - 形成基于氧化物的纳米结构材料的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，该方法包括利用具有与所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核生长纳米结构材料。在衬底上涂布溶液，该溶液包含：含有作为过渡金属或半金属的M的有机前体；和溶解该有机前体的有机溶剂。通过使衬底退火，在衬底上形成组成为MxOy的纳米核。通过在向纳米核中提供含有M的反应前体的同时生长纳米核而形成组成为MxOy的纳米结构材料，并使该纳米结构材料退火。

Description

形成基于氧化物的纳米结构材料的方法
相关专利申请的交叉参考
本申请要求向韩国知识产权局于2006年12月5日申请的韩国专利申请No.10-2006-0122630，以及于2007年4月13日申请的韩国专利申请10-2007-0036582的权益，在此并入其全部公开内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，更具体地，涉及一种利用过渡金属或半金属的氧化物形成纳米结构材料的方法。
背景技术
包含金属或非金属元素的基于氧化物的纳米结构材料潜在地可应用于例如场效应晶体管(FET)、单电子晶体管(SET)、光电二极管、生化传感器和逻辑电路的纳米电子器件领域。因此，已经在多种技术领域实施了纳米结构材料的性质和及其形成方法的研究。
根据形成基于氧化物的纳米结构材料的常规方法，利用溅射或热蒸发在衬底之上沉积例如Au、Ag、Pd和Pt的贵金属而形成纳米级贵金属薄膜，之后使衬底退火而形成贵金属颗粒或贵金属簇。之后，利用贵金属颗粒或贵金属簇作为核，通过物理或化学工艺从衬底生长基于氧化物的纳米结构材料。
但是，这种常规的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法复杂并且需要大面积衬底，因而还要求大规模设备来生长基于氧化物的纳米结构材料。
另外，作为形成起核作用的贵金属纳米颗粒，和之后从那里生长基于氧化物的纳米结构材料的复杂工艺的结果，贵金属作为杂质残留于所得到的基于氧化物的纳米结构材料中。另外，制造成本由于贵金属而增加。所以，限制了基于氧化物的纳米结构材料的大规模生产。
另外，因为它们具有不同的组成，所以在贵金属颗粒或贵金属簇与基于氧化物的纳米结构材料之间的连接是不完全的，且掺杂剂不容易注入到所得到的纳米结构中。具体地，虽然用于纳米结构材料中的材料本身具有优异的电学性质，但根据用作核的贵金属的平面指数(plane index)不容易控制纳米结构材料的生长速率、尺寸和形状。因此，基于氧化物的纳米结构材料不能具有均匀的组成、形状和尺寸，同样不具有稳定的性质。因此，由于依照常规方法形成的基于氧化物的纳米结构材料提供不稳定的电学性质，所以应用到集成高速电子电路也就受到限制。
发明内容
本发明提供一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，其通过生长没有杂质的基于氧化物的纳米结构材料，以低成本实现了具有均匀组成的基于氧化物的纳米结构材料，且提供适于最小化和集成电子电路应用的稳定的电学特性。
根据本发明的一方面，提供一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，该方法包括：
在衬底上涂布溶液，该溶液包含(a)含有作为过渡金属或半金属的M的有机前体和(b)溶解该有机前体的有机溶剂；
通过使涂有该溶液的衬底退火而在该衬底上形成组成为MxOy的纳米核，其中x是1-3的整数，y是1-6的整数；
通过在向纳米核中提供含有M的反应前体的同时生长纳米核而形成组成为MxOy的纳米结构材料，其中x是1-3的整数，y是1-6的整数；以及
使该纳米结构材料退火。
该溶液可以通过以1∶1-1∶5000的体积比混合有机前体和基于醇的有机溶剂制得。
该溶液在衬底上的涂布可以利用浸渍、旋涂或喷涂进行。
涂有该溶液的衬底的退火可以在50-500℃的温度范围内进行1秒-1小时。
形成该纳米结构材料可利用选自溅射、热化学气相沉积、金属-有机CVD(MOCVD)、气-液-固相外延(VSLE)、脉冲激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶工艺中的工艺以生长纳米核进行。
纳米结构材料的退火可以在100-1200℃的温度范围内进行1分钟-24小时。
纳米结构材料可以具有纳米线形状、纳米棒形状或纳米壁(nano-wall)形状。
依照本发明的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，因为利用具有与所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核生长基于氧化物的纳米结构材料，所以该纳米结构材料不含杂质。另外，通过由使用湿法化学工艺来形成纳米核的低制造成本的简单工艺，能够形成具有优异结晶特性的基于氧化物的纳米结构材料。因此，在应用到最小化和集成的电子电路时，依照本发明形成的该基于氧化物的纳米结构材料可以提供均匀的连接，还可以提供稳定的电学和光学性质。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例性实施方案，本发明的上述和其他特征以及优点将变得更显著，其中：
图1是阐述依照本发明实施方案的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法的流程图。
具体实施方式
下文中，现在将通过参考其中图示了本发明的示例性实施方案的附图更全面地描述本发明。但是，本发明可以许多不同的方式实施且不应当理解为局限于这里提出的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使得公开彻底和完全，并充分地将本发明的构思传达给本领域的技术人员。
图1是阐述依照本发明实施方案的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法的流程图。
参考图1，在工序10中，将溶液涂布在衬底上，该溶液包含：含有作为过渡金属或半金属的M的有机前体；及溶解该有机前体的有机溶剂。
为此，含有M的有机前体与有机溶剂混合以制备溶液。溶液中有机前体和基于醇的有机溶剂之间的体积比在大约1∶1-1∶5000的范围内。
有机前体可以是M(CH3COO)2·2H2O。这里，M可以是选自Ti、V、Cr、Zn、Y、Zr和Nb的过渡金属或选自Si、Ge和As的半金属。
有机溶剂可以是基于醇的有机溶剂，例如甲醇和乙醇。
可以利用浸渍、旋涂或喷涂在衬底上涂布溶液。衬底可以由Al2O3、石英、Si、GaN或玻璃形成。
例如，当利用浸渍法涂布溶液时，可以实施如下工艺。首先，以1∶1-1∶5000的体积比将含有M的有机前体，例如M(CH3COO)2·2H2O溶解在基于醇的有机溶剂例如甲醇、乙醇和异丙醇(IPA)中，且溶液在室温下搅拌大约1分钟-24小时。之后，将衬底浸渍到搅拌的溶液中大约1秒-1小时以用溶液均匀地涂布衬底。之后，从溶液中取出衬底。衬底上由溶液形成的薄膜的厚度可以通过控制浸渍时间或其他条件而调节到大约1-1000nm。
例如，当利用旋涂法将溶液涂布到衬底上时，在以大约100-10000rpm旋转衬底的同时，用移液管将大约0.01-100ml的溶液滴在衬底上，而在衬底上形成薄膜。
还例如，当利用喷涂法将溶液涂布到衬底上时，可以利用适当的喷涂设备将溶液薄薄地涂布在衬底上。
在该实施方案中，M(CH3COO)2·2H2O用作含有M的有机前体，以及基于醇的有机溶剂用作有机溶剂，但本发明并不限于此。例如，有机前体可以是M(CH3COO)2·2H2O、M(CH3COO)2、M(CH3)2、M(C2H5)2、M(C5H7O2)2等。另外，有机溶剂可以是非基于醇的有机溶剂。
在工序20中，使涂有溶液的衬底退火，在衬底上形成了组成为MxOy的纳米核，其中x是1-3的整数，y是1-6的整数。
可以利用加热板、加热炉、真空室等进行形成纳米核的退火。退火可以在大约50-500℃的温度范围进行大约1秒-1小时。在通过退火挥发涂布在衬底上的溶液中的有机溶剂的同时，形成许多由溶解在溶液中的过渡金属或半金属形成的具有均匀尺寸的氧化物纳米核。该纳米核可以具有大约几个至几十个纳米。
例如，当利用Zn(CH3COO)2·2H2O作为有机前体时，包括ZnO的纳米核形成于衬底之上。
在工序30中，纳米核生长以在衬底上形成组成为MxOy的纳米结构材料至所需尺寸，其中x是1-3的整数以及y是1-6的整数。
可以利用例如溅射、热化学气相沉积、金属-有机CVD(MOCVD)、气-液-固相外延(VSLE)、脉冲激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶工艺的物理化学工艺生长纳米核。
当纳米核生长时，含有M的反应前体可以作为生长纳米核的源材料而提供给纳米核。例如，在利用MOCVD生长纳米核时，可以将作为M源材料的Zn(CH3)2和作为O源的O2气体各自提供给衬底。这里，Ar可以作为载气使用。
从纳米核生长的纳米结构材料可以具有多种形状，例如纳米线形状、纳米棒形状和纳米壁形状。
在工序40中，使纳米结构材料退火。
纳米结构材料的退火可以利用加热板、加热炉、真空室等实施。退火可以在大约100-1200℃的温度范围进行大约1分钟-24小时。在本工序中的使纳米结构材料的退火的温度可以高于在工序20中的使衬底退火的温度。另外，纳米结构材料的退火时间可以长于在工序20中衬底的退火时间。然而，这些条件不是必要的，且退火可以在与上述条件相反的条件下进行以达到工序40中退火的目的。纳米结构材料的退火可以在标准大气条件下或包含氧气的真空室中进行。
由于通过纳米结构材料的退火补偿纳米结构材料氧的缺乏，所以可以得到具有均匀组成的基于氧化物的纳米结构材料。另外，由于纳米结构材料的结晶性的改善，可以获得晶格匹配的纳米结构材料，因而可以改善晶体质量。该具有优异结晶性的纳米结构材料可用作二极管或光电器件的组件以改善器件的电学和光学性质。
依照本发明的形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，具有与所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核用来生长基于氧化物的纳米结构材料，且利用湿法化学工艺来形成纳米核。因为依照本发明的基于氧化物的纳米结构材料利用具有与所需的基于氧化物的纳米结构材料相同组成的纳米核来生长，所以纳米结构材料不含有杂质。因而，可以简化形成纳米结构材料的工艺，因此较常规方法其成本能够降低。另外，通过实现具有均匀组成的纳米结构材料可以改善晶体质量，且当掺杂所得到的纳米结构材料时，可以容易控制掺杂元素的注入。依照本发明形成的基于氧化物的纳米结构材料可以在应用于最小化和集成的电子电路时提供均匀的连接，且还可以提供稳定的电学和光学性质。
依照本发明形成的基于氧化物的纳米结构材料可以广泛地应用于例如FET、SET、光电二极管、生化传感器和逻辑电路、太阳能电池或显示器的纳米电子器件领域。
尽管已经参考其示例性实施方案具体地给出和描述了本发明，但是应当理解，在不背离所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以在形式上和细节上作出多种变化。

Claims (13)

1.一种形成基于氧化物的纳米结构材料的方法，该方法包括：
在衬底上涂布溶液，该溶液包含(a)含有作为过渡金属或半金属的M的有机前体和(b)溶解该有机前体的有机溶剂；
通过使涂有该溶液的衬底退火而在该衬底上形成组成为MxOy的纳米核，其中x是1-3的整数且y是1-6的整数；
通过在向纳米核中提供含有M的反应前体的同时生长纳米核而形成组成为MxOy的纳米结构材料，其中x是1-3的整数且y是1-6的整数；以及
使该纳米结构材料退火。
2.权利要求1的方法，其中M是选自Ti、V、Cr、Zn、Y、Zr和Nb的过渡金属。
3.权利要求1的方法，其中M是选自Si、Ge和As的半金属。
4.权利要求1的方法，其中该溶液是通过混合作为有机前体的M(CH3COO)2·2H2O和作为有机溶剂的基于醇的有机溶剂而制得的。
5.权利要求4的方法，其中该有机前体和该基于醇的有机溶剂以1∶1-1∶5000的体积比混合。
6.权利要求1的方法，其中该溶液在衬底上的涂布是利用浸渍、旋涂或喷涂进行的。
7.权利要求1的方法，其中涂有该溶液的衬底的退火是在50-500℃的温度范围内进行的。
8.权利要求7的方法，其中涂有该溶液的衬底的退火进行1秒-1小时。
9.权利要求1的方法，其中该纳米结构材料的形成是利用选自溅射、热化学气相沉积、金属-有机CVD(MOCVD)、气-液-固相外延(VSLE)、脉冲激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶工艺的工艺生长该纳米核进行的。
10.权利要求1的方法，其中该纳米结构材料的退火是在100-1200℃的温度范围内进行的。
11.权利要求10的方法，其中该纳米结构材料的退火进行1分钟-24小时。
12.权利要求1的方法，其中该纳米结构材料具有纳米线形状、纳米棒形状或纳米壁形状。
13.权利要求1的方法，其中该衬底由选自Al2O3、石英、Si、GaN和玻璃的一种形成。
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