CN101613881B - 一种制备SiC纳米线阵列的方法 - Google Patents

一种制备SiC纳米线阵列的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体纳米线阵列的制备技术领域。特别涉及一种制备SiC纳米线阵列的方法。本发明的SiC纳米线阵列制备方法包括以下过程：用化学刻蚀的方法在单晶硅基片表面制备硅纳米线阵列，将表面有硅纳米线阵列的硅基片放置在盛有石墨粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入管式炉中加热，在加热过程中，通入惰性气体作为保护气，最终得到SiC纳米线阵列。本发明的制备SiC纳米线阵列方法简单易行，所制备的SiC纳米线阵列在场发射及高温、高频、大功率的半导体器件方面具有巨大的潜在应用价值。

Description

一种制备SiC纳米线阵列的方法
技术领域
本发明属于半导体纳米线阵列的制备技术领域，特别涉及一种制备SiC纳米线阵列的方法。
背景技术
纳米线是一维纳米材料的一种。一维纳米材料相对于传统材料呈现出很多奇特的性质，在介观领域和纳米器件研制方面显示出重要的作用。例如，它们可用作扫描隧道显微镜的针尖、各种传感器、微电极和超大集成电路中的连线、光导纤维、微型钻头等。SiC是一种宽带系(2.3eV)半导体材料，具有一系列的优异性能，如抗氧化、耐化学腐蚀、热传导率高、热稳定性高等。而一维SiC纳米材料则以其独特的物理和电子学特性，受到广泛的关注。作为重要的功能材料，一维SiC纳米材料在高温、高频、大功率的半导体器件以及纳米尺度的电子及光电子器件领域具有巨大的潜在应用价值。此外，由于它具有非常高的强度和韧性，因此在结构材料中具有潜在的应用前景。目前，制备SiC纳米线的方法有：化学气相沉积(CVD)法、溶胶凝胶法、固相反应法、微波合成法等。例如，以SiO2和石墨粉为原料，在无催化剂的条件下，用化学气相沉积的方法得到了项链状的SiC纳米线(Wei J，Li Z K，Li H M，et al.Marer.Chem.Phys.，2005，95：140～144.)。然而，在制备SiC纳米线阵列方面却很少有报导，而本发明正是采用一种新的简单的方法制备出了SiC纳米线阵列。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备SiC纳米线阵列的方法。
本发明的制备SiC纳米线阵列的方法是用化学刻蚀的方法在单晶硅基片表面制备硅纳米线阵列；硅纳米线阵列在高温下与碳反应形成SiC纳米线阵列，该方法包括以下步骤：
1)采用常规的化学刻蚀的方法制备出硅纳米线阵列：将用氢氟酸清洗过的单晶硅基片置于硝酸银和氢氟酸的混合溶液中浸泡(一般浸泡时间为3～5分钟)；其中，硝酸银和氢氟酸的混合溶液中的硝酸银的浓度为5mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；将浸泡过硝酸银和氢氟酸的混合溶液的单晶硅基片取出后置于双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中进行刻蚀，刻蚀温度为40℃，刻蚀时间为40～60分钟，在单晶硅基片表面沉积有银离子处，Si会被刻蚀下去，而未沉积有银离子处，Si会被保留下来，从而在表面刻蚀出垂直定向站立排列的硅纳米线阵列；其中，双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中的双氧水的浓度为2～4mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；
2)将纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，并在位于石墨坩埚中间处的石墨粉表面上放置一片带有多孔(优选孔径为1mm)的石墨片，将步骤1)得到的表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片放在带有多孔的石墨片上，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心；或
将纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，将步骤1)得到的表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心；
将管式炉加热到温度为1200～1300℃，保温60～120分钟；在单晶硅基片上面得到的黑绿色的物质即为所制备的SiC纳米线阵列；整个加热及保温过程中通入惰性气体(如Ar等)作为保护气体，惰性气体(如Ar等)的流量优选为50～100sccm，管式炉内的压强为40～70Pa。
本发明是以化学刻蚀方法制备出的硅纳米线阵列作为硅源，再与石墨粉反应得到SiC纳米线阵列，制备方法简单，得到的SiC纳米线为多晶结构，直径为100～300nm，长度为20～30μm。
本发明所制备的SiC纳米线阵列在场发射及高温、高频、大功率的半导体器件方面具有巨大的潜在应用价值。
附图说明
图1.用化学刻蚀的方法得到的硅纳米线阵列的正面SEM图片。
图2.用化学刻蚀的方法得到的硅纳米线阵列的侧面SEM图片。
图3.本发明实施例1的SiC纳米线阵列的SEM图片。
图4.本发明实施例1的SiC纳米线阵列的XRD图片。
图5.本发明实施例2的SiC纳米线阵列的SEM图片。
图6.本发明实施例3的SiC纳米线阵列的SEM图片。
具体实施方式
实施例1
1)将用氢氟酸清洗过的单晶硅基片浸泡于硝酸银和氢氟酸的混合溶液中浸泡3分钟；其中，硝酸银和氢氟酸的混合溶液中的硝酸银的浓度为5mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；将浸泡过硝酸银和氢氟酸的混合溶液的单晶硅基片取出后置于双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中，其中，双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中的双氧水的浓度为2mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；在水浴中进行刻蚀，水浴温度为40℃，刻蚀时间为40分钟，在单晶硅基片表面沉积有银离子处，Si会被刻蚀下去，而未沉积有银离子处，Si会被保留下来，从而在表面刻蚀出垂直定向站立排列的硅纳米线阵列；其中硅纳米线直径为100～200nm，长约20μm左右；得到的硅纳米线阵列的SEM形貌如图1和图2所示。
2)将2g纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，将步骤1)得到的表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心位置加热；将管式炉加热到温度为1200℃后保温120分钟；在整个加热及保温过程，通入50sccm的Ar作为保护气体，管式炉内的压强为47Pa；待炉温降到常温后，取出样品，在单晶硅基片上面得到了为多晶结构的SiC纳米线阵列，得到的SiC纳米线阵列长度为20μm左右，直径较Si纳米线有所增粗，为100～300nm，形貌如图3所示。图4为所得到的SiC纳米线阵列的XRD图，图中主要峰位都与SiC对应，另外有一个反应原料石墨的峰位，证明所得到的确为SiC。
实施例2
1)将用氢氟酸清洗过的单晶硅基片浸泡于硝酸银和氢氟酸的混合溶液中浸泡4分钟；其中，硝酸银和氢氟酸的混合溶液中的硝酸银的浓度为5mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；将浸泡过硝酸银和氢氟酸的混合溶液的单晶硅基片取出后置于双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中，其中，双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中的双氧水的浓度为4mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；在水浴中进行刻蚀，水浴温度为40℃，刻蚀时间为40分钟，在单晶硅基片表面沉积有银离子处，Si会被刻蚀下去，而未沉积有银离子处，Si会被保留下来，从而在表面刻蚀出垂直定向站立排列的硅纳米线阵列；其中硅纳米线直径为100～200nm，长约20μm左右。
2)将3g纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，并在位于石墨坩埚中间处的石墨粉表面上放置一片带有多孔(孔径为1mm)的石墨片；将步骤1)得到的表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片放在石墨片上，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心位置加热；将管式炉加热到温度为1250℃后保温90分钟；在整个加热及保温过程，通入50sccm的Ar作为保护气体，管式炉内的压强为47Pa；待炉温降到常温后，取出样品，在单晶硅基片上面得到了为多晶结构的SiC纳米线阵列，得到的SiC纳米线阵列长度为20μm左右，直径较Si纳米线有所增粗，为100～300nm，形貌如图5所示。
实施例3
1)将用氢氟酸清洗过的单晶硅基片浸泡于硝酸银和氢氟酸的混合溶液中浸泡5分钟；其中，硝酸银和氢氟酸的混合溶液中的硝酸银的浓度为5mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；将浸泡过硝酸银和氢氟酸的混合溶液的单晶硅基片取出后置于双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中，其中，双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中的双氧水的浓度为4mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；在水浴中进行刻蚀，水浴温度为40℃，刻蚀时间为40分钟，在单晶硅基片表面沉积有银离子处，Si会被刻蚀下去，而未沉积有银离子处，Si会被保留下来，从而在表面刻蚀出垂直定向站立排列的硅纳米线阵列；其中硅纳米线直径为100～200nm，长约20μm左右。
2)将5g纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，并在位于石墨坩埚中间处的石墨粉表面上放置一片带有多孔(孔径为1mm)的石墨片；将步骤1)得到的表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片放在石墨片上，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心位置加热；将管式炉加热到温度为1300℃后保温120分钟；在整个加热及保温过程，通入100sccm的Ar作为保护气体，管式炉内的压强为70Pa；待炉温降到常温后，取出样品，在单晶硅基片上面得到了为多晶结构的SiC纳米线阵列，得到的SiC纳米线阵列长度为20μm左右，直径较Si纳米线有所增粗，为100～300nm，形貌如图6所示。
实施例4
1)将用氢氟酸清洗过的单晶硅基片浸泡于硝酸银和氢氟酸的混合溶液中浸泡5分钟；其中，硝酸银和氢氟酸的混合溶液中的硝酸银的浓度为5mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；将浸泡过硝酸银和氢氟酸的混合溶液的单晶硅基片取出后置于双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中，其中，双氧水和氢氟酸混合的刻蚀溶液中的双氧水的浓度为4mmol/L，氢氟酸的浓度为4.8mol/L；在水浴中进行刻蚀，水浴温度为40℃，刻蚀时间为60分钟，在单晶硅基片表面沉积有银离子处，Si会被刻蚀下去，而未沉积有银离子处，Si会被保留下来，从而在表面刻蚀出垂直定向站立排列的硅纳米线阵列；其中硅纳米线直径为100～200nm，长约30μm左右。
2)将5g纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，将步骤1)得到的表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心位置加热；将管式炉加热到温度为1300℃后保温120分钟；在整个加热及保温过程，通入100sccm的Ar作为保护气体，管式炉内的压强为70Pa；待炉温降到常温后，取出样品，在单晶硅基片上面得到了为多晶结构的SiC纳米线阵列，得到的SiC纳米线阵列长度为30μm左右，直径较Si纳米线有所增粗，为100～300nm。

Claims (4)

1.一种制备SiC纳米线阵列的方法，其特征是：将纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，并在位于石墨坩埚中间处的石墨粉表面上放置一片带有多孔的石墨片，将表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片放在带有多孔的石墨片上，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心；或
将纯度为99.99％的石墨粉放入石墨坩埚的底部，将表面有硅纳米线阵列的单晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后将石墨坩埚放入管式炉的中心；
将管式炉加热到温度为1200～1300℃，保温60～120分钟；在单晶硅基片上面得到SiC纳米线阵列；整个加热及保温过程中通入惰性气体作为保护气体，管式炉内的压强为40～70Pa；
所述的SiC纳米线的直径为100～300nm，长度为20～30μm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的带有多孔的石墨片的孔径为1mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的通入惰性气体的流量为50～100sccm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的SiC纳米线为多晶结构。
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