CN102491252B - 离散纳米材料的选择性排列方法 - Google Patents
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Abstract
一种离散纳米材料选择性排列的方法，1）将清洗干净的衬底，典型的为硅衬底进行氧化，表面得到一层硅氧化物；2）将氧化后的硅片放入十八烷基三氯硅烷的C6-C8烃的溶液中，硅氧化物上生长一层非极性的OTS自组装单分子膜；3）利用激光通过位相光栅在硅衬底上目标区域选择性刻蚀非极性的OTS自组装单分子膜；4）将刻蚀后的硅衬底放入3-三乙氧基甲硅烷基-1-丙胺的甲醇溶液中，原被激光刻蚀掉的区域即生长上极性的APS自组装单分子膜，在目标区域形成极性和非极性的间隔区域；5）将修饰过的衬底浸入纳米线或纳米材料悬浮液中提升，纳米线或纳米材料按规则排列在目标极性区域内，实现离散半导体纳米线选择性排列。具有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种选择性排列纳米材料形成有序与图形化阵列的新方法，可用于进一步制备各种纳米材料器件以获得稳定优良的性能。
背景技术
在过去十几年中，科学家在纳米材料的制备方面已经获得很大成功，相继获得各种不同形貌、结构、性能的纳米材料，这些纳米材料大多具有优良独特的性质，具有很好的应用前景。由于生长条件及各方面因素制约，目前制备的纳米材料多为离散型纳米材料，将其应用于实用性器件方面仍面临诸多问题。如何对离散型纳米材料进行排列和集成是将纳米材料应用于器件制备的一个极为重要的研究课题。
此前科学家已探索了许多排列集成纳米材料的方法，如电场诱导、流体流动导向、LB膜方法、气体辅助法、压印转移法等，这些方法能够达到较好的选择排列效果，但往往对纳米材料或衬底有一定的限制，目前尚缺乏一种低成本、大规模的普适性排列方法。
发明内容
本发明目的是，提出一种简单普适的排列离散纳米材料的方法，以形成整齐有序的图形化阵列，为离散纳米材料进一步应用于各种实用性器件，发挥各自优良的光学、电学、生物学等性能并进行应用提供基础。本发明主要目的还在于，为在衬底表面形成不同极性的间隔区域，并通过极性材料的选择排列各种不同离散纳米材料。本发明避免复杂的微加工工艺，可实现对不同离散纳米材料的低成本、大规模的排列。
本发明技术方案是：离散纳米材料的选择性排列方法，本发明实现的加工工艺按顺序如下：首先在清洗干净的衬底上修饰一层非极性材料，然后用激光通过位相光栅在目标区域选择性刻蚀非极性材料，再在被刻蚀区域修饰上极性材料，即可在衬底上形成极性和非极性间隔的图形区域。将修饰过的衬底浸入目标离散纳米材料的悬浮液中并用机械手以一定速率提升，离散纳米材料由于电荷吸引及流体剪切力作用选择性沉积在目标极性区域内，从而实现图形化的有序排列的纳米材料阵列。
具体而言，离散纳米材料选择性排列的方法，包括以下步骤：
1)将清洗干净的衬底，典型的为硅衬底41进行氧化，表面得到一层硅氧化物42；
2)将氧化后的硅片放入十八烷基三氯硅烷(OTS)、聚二甲基硅氧烷或十八硫醇的C6-C8烃的溶液中(如正庚烷溶液)中，硅氧化物42上生长一层非极性的OTS、PDMS或ODT自组装单分子膜43；
3)利用激光通过位相光栅44在硅衬底上目标区域选择性刻蚀非极性的OTS自组装单分子膜；
4)将刻蚀后的硅衬底放入3-三乙氧基甲硅烷基-1-丙胺(APS)的甲醇溶液中，原被激光刻蚀掉的区域即生长上极性的APS自组装单分子膜44，因而在目标区域形成极性和非极性的间隔区域；
5)将修饰过的衬底浸入纳米线或纳米材料悬浮液中并(用机械手)以一定速度(每秒钟不低于10厘米)提升，纳米线或纳米材料由于电荷吸引及流体剪切力作用规则排列在目标极性区域内，实现离散半导体纳米线的选择性排列。
用于激光刻蚀的位相光栅可选用一维或二维，分别用于刻蚀形成条纹型阵列或点阵型阵列。
选用不同光栅常数的位相光栅可制备不同条纹型阵列或点阵型阵列尺寸的极性和非极性间隔的衬底。
该排列方法对纳米材料的种类、形貌和尺寸具有兼容性。纳米材料可以是多种材料，如碳纳米管、硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化锌等；纳米材料形貌可以是多种低维结构，如纳米带、纳米线、纳米点等；纳米材料的尺寸可在纳米至微米量级。衬底可以是任何能够生长非极性自组装单分子膜的材料。
非极性材料可以根据不同排列要求有不同的选择，如PDMS、OTS、ODT等。极性材料可以根据目标纳米材料极性的不同做出相应的选择，如APS、SiO2等。
本发明所述的纳米材料可以是多种纳米材料，如碳纳米管、硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化锌等；纳米材料形貌可以是多种低维结构，如纳米带、纳米线、纳米点等；纳米材料的尺寸可在纳米至微米量级范围内。粒径为几到几百纳米，纳米带、纳米线的长度也可以达到微米量级。
本发明有益效果：本发明方案的普适性在于目标纳米材料的多样性，可排列各种不同种类、形貌、尺寸的纳米材料。
附图说明
图1是本发明的处理后衬底截面图，衬底11、氧化层12、非极性区域13、极性区域14；
图2是用一维位相光栅处理后得到的衬底表面俯视图，21、22分别表示条纹型衬底的非极性和极性区域；
图3是用二维位相光栅处理后得到的衬底表面俯视图，31、32分别表示点阵型衬底的非极性和极性区域；
图4是衬底处理工艺流程图。
具体实施方式
下面将参照附图详细叙述排列离散半导体纳米线具体工艺，并提出本发明的示例性实施例。
本发明的结构如附图1所示，包括衬底11、氧化层12、非极性区域13、极性区 域14四个部分。本发明可通过采用一维或二维位相光栅将衬底表面修饰为条纹型或点阵型区域，分别如附图2、3所示。21、22分别表示条纹型衬底的非极性和极性区域，31、32分别表示点阵型衬底的非极性和极性区域。条纹型衬底可用于排列纳米线、纳米带等线状纳米材料，点阵型衬底可用于排列纳米点、纳米球等球状纳米材料。本发明的实例性器件结构中，衬底为Si，非极性材料为OTS，极性材料为APS，排列的纳米材料为为CdS纳米线。
本发明的实例性加工工艺如附图4所示，包括以下步骤：
1)将清洗干净的硅衬底41进行氧化，表面得到一层硅的氧化物42；
2)将氧化后的硅片放入十八烷基三氯硅烷(OTS)的正庚烷溶液中，氧化物42上生长一层非极性的OTS自组装单分子膜43；
3)利用激光通过位相光栅44在目标区域选择性刻蚀非极性的OTS自组装单分子膜，得到如图C所示结构；
4)将刻蚀后的硅衬底放入3-三乙氧基甲硅烷基-1-丙胺(APS)的甲醇溶液中，原被激光刻蚀掉的区域即生长上极性的APS自组装单分子膜44，因而在目标区域形成极性和非极性的间隔区域；
5)将修饰过的衬底浸入目标CdS纳米线悬浮液中并用机械手以一定速度提升，CdS纳米线由于电荷吸引及流体剪切力作用规则排列在目标极性区域内，实现离散半导体纳米线的选择性排列。
Claims (1)
1.一种离散纳米材料选择性排列的方法，其特征是包括以下步骤：
1）将清洗干净的衬底，衬底采用硅衬底进行氧化，表面得到一层硅氧化物；
2）将氧化后的硅衬底放入十八烷基三氯硅烷OTS、聚二甲基硅氧烷或十八硫醇的C6-C8烃的溶液中，硅氧化物上生长一层非极性的OTS、PDMS或ODT自组装单分子膜；
3）利用激光通过位相光栅在硅衬底上目标区域选择性刻蚀非极性的OTS自组装单分子膜；
4）将刻蚀后的硅衬底放入3-三乙氧基甲硅烷基-1-丙胺的甲醇溶液中，原被激光刻蚀掉的区域即生长上极性的APS自组装单分子膜，在目标区域形成极性和非极性的间隔区域；
5）将修饰过的衬底浸入纳米线悬浮液中并以每秒钟不低于10厘米的速度提升，纳米线因电荷吸引及流体剪切力作用规则排列在目标极性区域内，实现离散半导体纳米线的选择性排列；用机械手进行纳米线悬浮液的提升；
用于激光刻蚀的位相光栅选用一维或二维光栅，分别用于刻蚀形成条纹型阵列或点阵型阵列；
选用不同光栅常数的位相光栅制备不同条纹型阵列或点阵型阵列尺寸的极性和非极性间隔的衬底。
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