CN102040191A - 纳米线异质外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米线异质外延生长方法，其中纳米线材料与衬底材料间存在晶格失配，包括如下步骤：a、在衬底上生长缓冲层，该缓冲层材料与纳米线材料的晶格失配度小于10％；b、在上述缓冲层上沉淀金属纳米颗粒或金属薄膜，退火，使金属纳米颗粒或金属薄膜与缓冲层材料形成合金纳米颗粒；c、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行纳米线的外延生长。基于本发明方法所制备的纳米线不受临界直径的限制，并且具有生长方向一致、可控、以及高晶体质量的特点。

Description

纳米线异质外延生长方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米线的异质外延生长方法，特别是涉及纳米线材料与衬底材料间存在晶格失配情况下的基于衬底缓冲层的纳米线异质外延生长方法。
背景技术：
由于纳米线在高性能电学与光学器件、光电子集成以及传感领域有很好的应用前景[Yi Cui，et al.，science，vol.291，851，2001；FernandoPatolsky，et al.，science，vol.313，1100，2006]，现在越来越多的研究机构开始关注纳米线的生长。特别是自下而上(bottom-up)外延生长的自支撑(free standing)纳米线具有更高的晶体质量、生长方向更易于控制、更易于集成[R.S.Wagner，et al.，Applied Physics Letters，vol.4，89，1964；E.I.Givargizov，Journal of Crystal Growth，Vol.31，20，1975；Erik Bakkers，et al.，Materials Research Society，vol.1068，223，2008.Hannah J.joyce，et al.，Nano Letters，Vol.9，No.2，695，2009]。然而，如果纳米线材料与衬底材料间存在着晶格常数失配，当纳米线直径超过某一临界直径时(该临界直径由晶格失配度决定)，纳米线的径向形变无法容纳晶格失配位移，于是产生了晶体缺陷和残余应力，这导致纳米线的生长方向错乱；因此在晶格失配衬底上直接外延生长的纳米线存在生长方向不可控、晶体缺陷密度高(如堆垛层错和孪晶等缺陷)等问题[K.Tomioka，et al.，Nanotechnology，vol.20，145302，2009；F.Jabeen，et al.，Nanotechnology，vol.19，275711，2008；H.Detz，etal.，.Journal of Crystal Growth vol.311，1859，2009；S.Ihn，et al.，IEEETran.on Nanotechnol.，vol.6，384，2007；X.Bao，et al，Nano Letters.，vol.8，3755，2008；Linus C.Chuang，et al.，Applied Physics Letters，vol.90，43115，2007；E.Ertekin，et al.，Journal of Applied Physics，vol.97，114325，2005，；G.E.Cirlin，et al.，Phys.Status Solidi，vol.4，112，2009]。然而，现有技术都是在衬底上直接异质外延生长纳米线，这样不能解决由于纳米线材料与衬底材料间晶格失配产生的临界直径问题。
有鉴于此，探索新的外延生长方案，解决纳米线材料与衬底材料之间晶格失配所带来的临界直径的问题，提高纳米线的晶体质量和生长可控性，是本发明的创研动机所在。
发明内容：
本发明的目的是解决纳米线材料与衬底材料之间晶格失配所带来的生长方向不可控、晶体缺陷密度高等问题，所述晶格失配度＝((纳米线材料晶格常数-衬底材料晶格常数)/衬底材料晶格常数)×100％。
本发明提供一种基于衬底缓冲层的纳米线异质外延生长方法，其中纳米线材料与衬底材料间存在晶格失配，所述方法包括如下步骤：
a、在衬底上生长缓冲层，该缓冲层材料的晶格常数与纳米线材料的晶格常数失配度小于10％；
b、在上述缓冲层上沉淀金属纳米颗粒或金属薄膜，退火，使金属纳米颗粒或金属薄膜与缓冲层材料形成合金纳米颗粒；
c、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行纳米线的外延生长。
所述衬底材料与纳米线材料间晶格失配度超过0.1％。
所述衬底材料选自III-V族半导体材料或IV族半导体材料。
所述衬底材料选自Si、GaAs、InAs、InP。
所述缓冲层材料选自III-V族半导体材料，优选所述缓冲层材料选自GaAs、InAs、InP、GaP、AlxGa1-xAs、InxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
所述纳米线材料选自III-V族半导体材料，优选所述纳米线材料选自GaAs、InAs、InP、GaP、AlxGa1-xAs、InxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
通过生长缓冲层，将衬底的晶格常数过渡到了缓冲层的晶格常数。由于缓冲层的晶格常数与纳米线材料的晶格常数接近，因此纳米线不再受由晶格失配导致的临界直径限制。从而在缓冲层上生长的纳米线不受临界直径的约束，并且具有生长方向一致、可控、以及高晶体质量的特点。
附图说明：
图1在衬底上生长缓冲层示意图；
图2在缓冲层上形成合金纳米颗粒示意图；
图3基于衬底缓冲层外延生长的纳米线示意图；
图4利用缓冲层在Si衬底上外延生长的GaAs纳米线的扫描电镜图像；
图5利用缓冲层在Si衬底上外延生长的GaAs纳米线底部的扫描电镜图像。
其中：1-衬底，2-缓冲层，3-合金纳米颗粒，4-纳米线。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以便更好了解本发明的实质。
实施例1：Si衬底上外延生长GaAs纳米线，具体步骤如下所述。
1、在Si衬底上生长Al0.4Ga0.6As/GaAs缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金薄膜，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行GaAs纳米线的外延生长，所生长的纳米线如图4、图5所示。
根据Chuang，Glas以及Dubrovskii等人的实验结果[Linus C.Chuang，et al.，Applied Physics Letters，vol.90，43115，2007；E.Ertekin，et al.，Journal of Applied Physics，vol.97，114325，2005，；G.E.Cirlin，et al.，Phys.Status Solidi，vol.4，112，2009]，Si和GaAs的晶格失配度是4％，相应的临界直径是110纳米。如果直接生长的纳米线的直径超过这个临界直径，纳米线的生长方向是杂乱无章且形成类星形团簇[Linus C.Chuang，et al.，Applied Physics Letters，vol.90，43115，2007；E.Ertekin，et al.，Journal of Applied Physics，vol.97，114325，2005，；G.E.Cirlin，et al.，Phys.Status Solidi，vol.4，112，2009]。图5所示，利用GaAs缓冲所生长的纳米线，直径超过临界直径的(如图中箭头所示的纳米线直径达157nm)也能垂直生长。所以，实验证明利用缓冲层生长的纳米线不受临界直径的限制。
实施例2：Si衬底上外延生长In0.3Ga0.7As纳米线，具体步骤如下所述。
1、在Si衬底上生长In0.4Ga0.6As缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金薄膜，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行In0.3Ga0.7As纳米线的外延生长。
实施例3：Si衬底上外延生长In0.3Ga0.7As0.5P0.5纳米线，具体步骤如下所述。
1、在Si衬底上生长In0.4Ga0.6As0.4P0.6缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金纳米颗粒，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行In0.3Ga0.7As0.5P0.5纳米线的外延生长。
实施例4：Si衬底上外延生长InAs纳米线，具体步骤如下所述。
1、在Si衬底上生长InAs缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀镍纳米颗粒，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行InAs纳米线的外延生长。
实施例5：GaAs衬底上外延生长InP纳米线，具体步骤如下所述。
1、在GaAs衬底上生长InP缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金纳米颗粒，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行InP纳米线的外延生长。
实施例6：GaAs衬底上外延生长In0.4Ga0.6As纳米线，具体步骤如下所述。
1、在GaAs衬底上生长In0.4Ga0.6As缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金薄膜，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行In0.4Ga0.6As纳米线的外延生长。
实施例7：InAs衬底上外延生长In0.5Ga0.5As0.5P0.5纳米线，具体步骤如下所述。
1、在InAs衬底上生长In0.5Ga0.5As0.5P0.5缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金纳米颗粒，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行In0.5Ga0.5As0.5P0.5纳米线的外延生长。
实施例8：InAs衬底上外延生长GaP纳米线，具体步骤如下所述。
1、在InAs衬底上生长GaP缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金纳米颗粒，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行GaP纳米线的外延生长。
实施例9：InP衬底上外延生长InAs纳米线，具体步骤如下所述。
1、在InP衬底上生长InAs缓冲层。
2、在缓冲层上沉淀金薄膜，经退火，形成合金纳米颗粒。
3、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行InAs纳米线的外延生长。
以上所述是本发明应用的技术原理和非限制性实例，只要其所运用的方案未超出权利要求书所涵盖的范围时，均应在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种纳米线异质外延生长方法，其中纳米线材料与衬底材料间存在晶格失配，所述方法包括如下步骤：
a、在衬底上生长缓冲层，该缓冲层材料与纳米线材料的晶格失配度小于10％；
b、在上述缓冲层上沉淀金属纳米颗粒或金属薄膜，退火，使金属纳米颗粒或金属薄膜与缓冲层材料形成合金纳米颗粒；
c、利用合金纳米颗粒作为催化剂，进行纳米线的外延生长。
2.根据权利要求1所述纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述衬底材料与纳米线材料间晶格失配度超过0.1％。
3.根据权利要求1所述的纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述衬底材料选自III-V族半导体材料和/或IV族半导体材料。
4.根据权利要求3所述的纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述衬底材料选自Si、GaAs、InAs或InP。
5.根据权利要求1所述的纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述缓冲层材料选自III-V族半导体材料。
6.根据权利要求5所述的纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述缓冲层材料选自GaAs、InAs、InP、GaP、AlxGa1-xAs、InxGa1- xAs或InxGa1-xAsyP1-y，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
7.根据权利要求1所述的纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述纳米线材料选自III-V族半导体材料。
8.根据权利要求7所述的纳米线异质外延生长方法，其特征在于：所述纳米线材料选自GaAs、InAs、InP、GaP、AlxGa1-xAs、InxGa1- xAs或InxGa1-xAsyP1-y，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102618922A (zh) * 2012-04-06 2012-08-01 中国科学院合肥物质科学研究院 一种在Si基片上外延生长GaAs薄膜的方法
CN109534279A (zh) * 2018-11-26 2019-03-29 长春理工大学 一种纳米线阵列器件的制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1401558A (zh) * 2002-09-06 2003-03-12 南京大学 一种制备ain纳米线及其阵列的方法
CN1510764A (zh) * 2002-12-23 2004-07-07 威凯科技股份有限公司 高晶格匹配性的发光元件
CN101009214A (zh) * 2001-03-30 2007-08-01 加利福尼亚大学董事会 纳米结构和纳米线的制造方法及由其制造的器件
US20080081388A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Yasseri Amir A Composite nanostructure apparatus and method
CN101331590A (zh) * 2005-12-29 2008-12-24 纳米系统公司 用于在有图案基底上取向生长纳米线的方法
CN101443887A (zh) * 2006-03-10 2009-05-27 Stc.Unm公司 Gan纳米线的脉冲式生长及在族ⅲ氮化物半导体衬底材料中的应用和器件
CN101530922A (zh) * 2009-04-13 2009-09-16 西安交通大学 一种一维合金纳米线的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101009214A (zh) * 2001-03-30 2007-08-01 加利福尼亚大学董事会 纳米结构和纳米线的制造方法及由其制造的器件
CN1401558A (zh) * 2002-09-06 2003-03-12 南京大学 一种制备ain纳米线及其阵列的方法
CN1510764A (zh) * 2002-12-23 2004-07-07 威凯科技股份有限公司 高晶格匹配性的发光元件
CN101331590A (zh) * 2005-12-29 2008-12-24 纳米系统公司 用于在有图案基底上取向生长纳米线的方法
CN101443887A (zh) * 2006-03-10 2009-05-27 Stc.Unm公司 Gan纳米线的脉冲式生长及在族ⅲ氮化物半导体衬底材料中的应用和器件
US20080081388A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Yasseri Amir A Composite nanostructure apparatus and method
CN101530922A (zh) * 2009-04-13 2009-09-16 西安交通大学 一种一维合金纳米线的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PHILIPPE CAROFF ET AL.: "High-Quality InAs/InSb Nanowire Heterostructures Grown by Metal–Organic Vapor-Phase Epitaxy", 《SMALL》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102618922A (zh) * 2012-04-06 2012-08-01 中国科学院合肥物质科学研究院 一种在Si基片上外延生长GaAs薄膜的方法
CN109534279A (zh) * 2018-11-26 2019-03-29 长春理工大学 一种纳米线阵列器件的制备方法
CN109534279B (zh) * 2018-11-26 2020-11-03 长春理工大学 一种纳米线阵列器件的制备方法

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