CN101859731B

CN101859731B - 一种纳米线压电器件的制作方法

Info

Publication number: CN101859731B
Application number: CN201010165560.4A
Authority: CN
Inventors: 文燎勇; 邵铮铮; 金朝; 边历峰
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: CN101859731A

Abstract

本发明揭示了一种纳米线压电器件的制作方法，利用直接干法转移将预制的纳米线在聚酰亚胺薄膜上形成平行排列的纳米线阵列；再采用微米级或纳米级光刻法，在上述纳米线阵列上制备压电器件的源极和漏极；最后在源极和漏极一侧添设连接用的接点及引线，并对压电器件表面采用聚二甲基硅氧烷封装。本发明制作方法具有制作工艺简单、适用范围广泛、节省成本等优点，极大地提高了压电器件的产品率；其应用实施后制得的纳米线压电器件，能实现大量纳米线同时工作产生电能，并结合封装工艺提高了该压电器件的稳定性和输出功率。

Description

一种纳米线压电器件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种纳米器件的制作方法，尤其涉及一种大面积平行排列纳米线的压电器件的制作方法，属于纳米技术与半导体电子技术相关领域。

背景技术

纳米技术作为21世纪的一个重要新兴科技领域，在理论与实践上正经历着高速发展。大量新型纳米材料与器件不断被开发出来，并在生物医学、国防以及人民日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。然而，纳米技术发展到今日，大量的研究都集中于开发高灵敏度、高性能的纳米器件，几乎还没有任何关于纳米尺度的电源系统研究。但是，应用于生物及国防等方面的纳米传感器对这种电源系统的需求却与日俱增。例如，无线纳米系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控、生物活体探测具有重大意义。

任何生物体内置的无线传感器都需要电源，一般来说，这些传感器的电源都是直接或者间接来源于电池。如果这些传感器能从生物体内自己给自己提供电源，从而实现器件和电源的同时小型化是科学家们一直梦寐以求的。因此，开发出能将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能，从而实现无需外接电源的纳米器件的新型纳米技术具有极其重要的意义。

近年来，国外的一些科学家已经开始了纳米发电机的研制，例如：王中林小组利用竖直结构的氧化锌(ZnO)纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置——直立式纳米发电机。尽管直立式发电机取得了巨大的成功并衍生出基于不同衬底的模型，但其进一步的发展仍面临一些困难亟须解决。一个挑战来自于驱动电极与氧化锌纳米线距离的精确控制，少量的误差就会造成发电机不能正常工作。另外，直立式发电机工作时自由端和驱动电极要不断接触和摩擦，由此可能造成纳米线和电极的磨损，进而影响纳米发电机的性能和寿命。最近，利用封装的水平式单根氧化锌纳米线不仅实现机械能到电能的转化，同时也解决了纳米发电机磨损的问题；但是该器件性能稳定性较差，输出功率较低，并不能满足大多数无源纳米器件的工作要求。

因此，能否制作出一种大面积平行排列的纳米线阵列，使得大量的纳米线同时工作，产生电能，进而提高纳米压电器件的稳定性和输出功率，对于能否真正实现无源纳米器件的应用具有非常重要的价值。

发明内容

针对上述现有纳米压电器件结构精确控制难度高、磨损严重或输出功率较低等缺陷，本发明的目的旨在提供一种纳米线压电器件的制作方法，实现由该方法制得的纳米压电器件能由大量纳米线同时工作产生电能，提高器件稳定性和输出功率。

本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：

一种纳米线压电器件的制作方法，其特征在于包括步骤：I、利用直接干法转移将预制的纳米线在聚酰亚胺薄膜上形成平行排列的纳米线阵列；II、采用微米级或纳米级光刻法，在上述纳米线阵列上制备压电器件的源极和漏极；III、在所述源极和漏极一侧添设连接用的接点及引线，并对压电器件表面进行封装。

上述技术方案还可以进一步细化为：

所述步骤I包括如下工序：

(1)、聚酰亚胺薄膜预处理——将聚酰亚胺薄膜在丙酮溶液和乙醇溶液中分别超声10分钟→用去离子水反复清洗去除附着的丙酮和乙醇→将洁净的聚酰亚胺薄膜浸泡于0.1％w/v的多聚赖氨酸溶液中至少10分钟→将浸泡后的聚酰亚胺薄膜烘干备用；

(2)、制备聚酰亚胺薄膜衬底掩膜层——在聚酰亚胺薄膜衬底表面涂布一层厚度2.5μm的光刻胶，并利用紫外曝光法光刻形成纳米线排布图形；

(3)、平行排列纳米线阵列的干法直接转移——在硅片表面生长垂直型的氧化锌纳米线阵列→将硅片生长有纳米线阵列的表面与步骤(2)制得的聚酰亚胺薄膜衬底表面接触，压合→将硅片沿水平方向移开→溶解去除聚酰亚胺薄膜衬底表面的光刻胶。

所述步骤II包括如下工序：将步骤I制得的具平行纳米线阵列的聚酰亚胺薄膜固定在硬质的基底上→通过掩膜板在所获得的平行纳米线阵列区域曝光、显影后溅射Ag金属层→经剥离后得到源极和漏极。

所述步骤III包括如下工序：

(1)、利用银浆从源极和漏极一侧分别添设接点，并从接点引出用于连接外部的引线；

(2)、采用据二甲基硅氧烷进行封装，得到全封装的纳米线压电器件。

实施本发明的技术方案，其优点为：

本发明通过利用直接干法转移在聚酰亚胺薄膜上实现了大面积平行排列纳米线阵列的制作，且在以后的源、漏电极制作工艺中无需严格对准工艺便能获得成功的器件，极大地提高了压电器件的产品率，并且制作方法与传统半导体工艺兼容，适于规模化生产；同时，由该方法制得的纳米线压电器件，能实现大量纳米线同时工作产生电能，并结合封装工艺提高了器件的稳定性和输出功率。该方法具有制作工艺简单、适用范围广泛、节省成本等进步性体现。

为使本发明所述的一种纳米线压电器件的制作方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明一具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。

附图说明

图1是本发明实施例步骤I的状态示意图；

图2是本发明实施例步骤II的状态示意图；

图3是本发明实施例步骤III的状态示意图。

图中各附图标记的含义如下：

1～聚酰亚胺薄膜、2～多聚赖氨酸聚合物、3～纳米线阵列、4～源极、5～漏极、6～接点、7～引线、8～聚二甲基硅氧烷。

具体实施方式

本发明提供了一种大面积平行排列纳米线压电器件的制作与集成方法。首先，利用直接干法转移法在聚酰亚胺薄膜表面制备出大面积平行排列纳米线阵列；随后，采用微纳光刻标准工艺在上述纳米线阵列表面制备金属源漏电极。接着，灌浆源、漏电极的金属接点并从接点引线后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对压电器件表面进行封装，以便与外部连接和测试。由于大量纳米线能够同时工作，将机械能转化为电能；因此相对于单根纳米线压电器件来说本发明具有更好的稳定性和更高的输出功率。同时，这种方法可以和传统的半导体工业兼容，进行大规模生产，便于降低成本。

如图3所示的本发明步骤III的实施例状态示意图可见成品后的纳米线压电器件结构，包括聚酰亚胺薄膜1、多聚赖胺酸聚合物2、纳米线阵列3、源极4、漏极5、接点6、引线7、聚二甲基硅烷(PDMS)8。其中：

该聚酰亚胺薄膜1的厚度为70μm左右；其表面的多聚赖胺酸聚合物2是经过浸泡于约为0.1％w/v的多聚赖氨酸溶液后形成的，可以增强纳米线与衬底的黏附性；

该纳米线阵列3是经硅片上所生长的纳米线阵列干法转移后所得到的，其纳米线可以是氧化锌、氮化镓、氮化铟纳米线等；

该源极4和漏极5是经过微纳标准光刻工艺作出图形，沉积金属所得到的，其金属可以是Au或者Ag；而接点6及引线7的作用是方便与外电路连接；

该聚二甲基硅烷(PDMS)8是经预聚体旋涂在聚酰亚胺薄膜1所得到的，目的在于封装柔性器件，免受外界环境的影响。

进一步来看，本发明大面积平行排列纳米线压电器件制作的详细工艺步骤如下：

(一)一维半导体纳米线的合成：

采用化学气相沉积法(CVD)，利用金属作为催化剂，高温条件下，反应原料在硅片表面发生反应，生长出单晶且具有较好取向性的纳米线阵列，通过控制气流、温度和反应时间来控制纳米线阵列的生长。以ZnO纳米线的生长为例，具体如下：

1).利用电子束蒸发在硅片表面制备一层厚度为5nm左右的Au催化剂。

2).分别称取5.0g的ZnO(99.9％)和5.0g的碳粉，在玛瑙研钵中研磨使其混合均匀；然后，将其分散在石英舟里面，将镀有Au催化剂的硅片正面朝上放在离原料大约5mm的距离。

3).通入70sccm的Ar气和5sccm的O₂，反应30分钟后便得到所需的垂直型ZnO纳米线阵列。

(二)利用直接转移法在聚酰亚胺薄膜表面制备大面积平行排列纳米线阵列：

1).聚酰亚胺薄膜预处理，先将大小为30mm×40mm，厚度为70μm的聚酰亚胺薄膜在丙酮溶液和乙醇溶液分别超声10分钟；然后经过去离子水清洗多次后浸泡于约0.1％w/v的多聚赖氨酸溶液中，浸泡时间大约为10分钟；最后把该薄膜放到120℃的烘箱中烘烤30分钟，冷却后备用。

2).聚酰亚胺薄膜表面掩模层的制备，利用紫外曝光的方法，在衬底表面制备出一层光刻胶厚度为2.5μm左右的光刻图形。

3).水平排列纳米线阵列的干法转移，将生长有长度为100μm左右的氧化锌纳米线阵列的硅片朝下与衬底轻轻接触，随后用手轻轻的压住(压力大约50g/cm²)该硅片并缓慢的沿水平方向移动(移动速度＜5mm/分钟)；最后轻轻的取走该硅片并溶解掉上述光刻图层就能够在所需区域内获得平行排列的纳米线阵列(如图1所示)。

(三)采用微纳光刻标准工艺在上述纳米线阵列表面上制备源极和漏极：

1).聚酰亚胺薄膜的固定，首先利用双面胶将上述聚酰亚胺薄膜固定在厚度为800μm，2英寸的玻璃片上，避免后续光刻工艺和溅射过程中衬底发生严重形变，影响器件的制作。

2).电极的制备——用掩膜板在所获得的平行纳米线阵列区域进行紫外光曝光，显影后溅射厚度为1500nm的Ag金属层，最后剥离掩膜后得到所需的源极4和漏极5(如图2所示)。

(四)引线及压电器件的封装：

1).用银浆在所得到源极和漏极一侧添设接点6，并从接点6分别用引线7引出，通过该引线7，使该压电器件易于与外部电路连接。

2).聚二甲基硅氧烷(PDMS)的封装——把聚二甲基硅氧烷(PDMS)旋涂在聚酰亚胺薄膜衬底表面，旋转速率为500转/分钟。然后在120℃的烘箱中烘烤60分钟左右使之完全聚合，最终得到全封装的柔性纳米线压电器件(如图3所示)。

综上所述，本发明结合了纳米技术和半导体技术，通过直接干法转移，快速方便地在聚酰亚胺表面制备出了大面积平行排列的纳米线压电器件，且在后期源极以及漏极的制作工艺中并不需要严格的对准工艺就能够获得成功的器件，制作工艺相对简单许多。当聚酰亚胺薄膜弯曲时大量的纳米线能够同时工作，将机械能转化为电能；相对于单根纳米线压电器件，它具有更好的稳定性和更高的输出功率；同时，这种方法可以和传统的半导体工业兼容，进行大规模生产，便于降低成本。

此外，本发明纳米线压电器件的制作方法中，聚酰亚胺薄膜表面的多聚赖氨酸能够有效的增加纳米线与衬底的粘附性，使得纳米线在经剪切运动折断后更加牢固的吸附在衬底表面。同时，在转移过程中硅片与衬底的摩擦以及它们之间杂质颗粒都会对所转移纳米线阵列的有效长度以及取向性产生较大的影响，旋涂厚度为2.5μm左右的光刻胶，不仅能够使纳米线转移到预定区域，而且还能够降低摩擦，减少杂质颗粒对转移质量的影响。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种纳米线压电器件的制作方法，其特征在于包括步骤：

Ⅰ、利用直接干法转移将预制的纳米线在聚酰亚胺薄膜上形成平行排列的纳米线阵列；Ⅱ、采用微米级或纳米级光刻法，在上述纳米线阵列上制备压电器件的源极和漏极；Ⅲ、在所述源极和漏极一侧添设连接用的接点及引线，并对压电器件表面进行封装，其中所述直接干法转移指的是先在聚酰亚胺薄膜衬底表面涂布一层厚度2.5μm的光刻胶，并利用紫外曝光法光刻形成纳米线排布图形；再在硅片表面生长垂直型的纳米线阵列，将硅片生长有纳米线阵列的表面与聚酰亚胺薄膜衬底表面相接触，压合，再将硅片沿水平方向移开，最后溶解去除聚酰亚胺薄膜衬底表面的光刻胶。

2.根据权利要求1所述的一种纳米线压电器件的制作方法，其特征在于所述步骤Ⅰ在平行排列纳米线阵列的干法直接转移之前包括聚酰亚胺薄膜预处理——将聚酰亚胺薄膜在丙酮溶液和乙醇溶液中分别超声10分钟 → 用去离子水反复清洗去除附着的丙酮和乙醇 → 将洁净的聚酰亚胺薄膜浸泡于0.1% w/v的多聚赖氨酸溶液中至少10分钟 → 将浸泡后的聚酰亚胺薄膜烘干备用。

3. 根据权利要求1所述的一种纳米线压电器件的制作方法，其特征在于所述步骤Ⅱ包括如下工序：将步骤Ⅰ制得的具平行纳米线阵列的聚酰亚胺薄膜固定在硬质的基底上 → 通过掩膜板在所获得的平行纳米线阵列区域曝光、显影后溅射Ag金属层 → 经剥离后得到源极和漏极。

4. 根据权利要求1所述的一种纳米线压电器件的制作方法，其特征在于所述步骤Ⅲ包括如下工序：

（1）、利用银浆从源极和漏极一侧分别添设接点，并从接点引出用于连接外部的引线；

（2）、采用据二甲基硅氧烷进行封装，得到全封装的纳米线压电器件。