CN102531031A

CN102531031A - 一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长工艺

Info

Publication number: CN102531031A
Application number: CN2010105776576A
Authority: CN
Inventors: 王丹丹; 杨景海; 邢国忠; 杨丽丽
Original assignee: Jilin Normal University
Current assignee: Jilin Normal University
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长的工艺。本生长工艺是采用两步气相传输法生长ZnO纳米线阵列，即先在衬底上真空镀一层Au膜，再采用气相传输法进行纳米线阵列的生长，通过调节衬底上Au膜的厚度和位置，实现ZnO纳米线阵列直径大小和分布的可控生长。这种方法不但操作简单，而且同样适用于其它以Au膜作为催化剂而生长的材料。本发明为其他纳米材料位置、尺寸可控生长提供了有效后备方法。

Description

一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长工艺

技术领域

本发明涉及一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长的工艺。

背景技术

近年来，ZnO作为一种重要的II-VI族直接宽禁带半导体氧化物材料，吸引了很多人的目光。室温下ZnO的禁带宽度为3.37 eV，与GaN的禁带宽度基本相当。然而与GaN相比，室温下ZnO激子束缚能高达60 meV，近似为室温热离化能（26 meV）的2.4倍，更高于其他几种宽禁带半导体材料，如GaN（25meV）、ZnSe（22meV）和ZnS（40meV），因此ZnO更适合用于室温或更高温度下的紫外发射器件，并能够显著降低阈值电流。其次，可以使用简单的技术制备出高质量的ZnO单晶，大大打破了GaN的局限性，并且Zn元素较之Ga元素在地壳中含量更高，因此ZnO器件的价格比GaN器件的价格低很多。第三，ZnO的熔点为1975 ℃，具有很高的热稳定性和化学稳定性，而且无毒，对环境无污染，是一种环保材料。

随着科学技术的发展，人们对介观尺度的物理现象，如纳米尺度的结构、光吸收、发光、热膨胀、磁相变以及与低维相关的量子尺寸效应，表面效应和宏观量子隧道效应有了进一步的研究。发现低维材料因其特殊的纳米结构，呈现出一系列优异的力、热、光、电、磁、储氢等性质。低维纳米材料在纳米器件方面也具用广泛的应用前景。

ZnO材料具有很好的可塑性，可以制备成各种形貌的纳米材料，如纳米线、纳米带、纳米棒、纳米环、纳米梳和纳米类四角锥等等；制备温度范围也很大，90℃-1000 ℃都可以生长；制备方法多样，常见的方法如气相反应法、固相反应法、水热法、沉积法和溶胶凝胶法等等。迄今为止，人们采用气相传输法，脉冲激光沉积法，化学气相沉积法，以及电化学沉积法都可以获得一维ZnO纳米线。其中气相传输法最简单，快捷，而且重复性也很好。目前人们在纳米线的生长对纳米线的直径和位置控制的研究并不详细，而且也并没有给出量化的结果。就气相传输方法而言，纳米线的生长有两种机制，气－液－固（VLS）和气－固（VS）机制，其中VLS机制可以有效的控制纳米线的生长。在VLS机制中，一般采用催化剂，而纳米线的生长分为形成过饱和的合Au颗粒以及生长两个过程，形成合Au颗粒直接影响着纳米线的生长。因此我们想通过控制合Au颗粒的位置和尺寸来控制纳米线的位置和直径，期望能通过此方法达到ZnO纳米线阵列可控生长的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长工艺，该工艺采用两步气相传输法，即先在衬底上镀Au膜，再采用气相传输法进行纳米线阵列的生长，通过改变Au的厚度和位置来控制ZnO纳米线阵列的直径和分布。

本发明的技术解决方案是：本生长工艺是采用两步气相传输法生长ZnO纳米线阵列，即先在衬底上真空镀一层Au膜，再采用气相传输法进行纳米线阵列的生长，通过调节衬底上Au膜的厚度和位置，实现ZnO纳米线阵列直径大小和分布的可控生长。

本发明的优点和效果是通过简单调节真空沉积Au膜的位置和时间，控制Au膜的分布和厚度，进而对纳米线的位置和直径进行控制。这种方法不但操作简单，而且同样适用于其它以Au膜作为催化剂而生长的材料。本发明为其他纳米材料位置、尺寸可控生长提供了有效后备方法。

附图说明

图1是本发明不同Au膜厚度生成的Au纳米颗粒和ZnO纳米线的扫描（面）电子显微镜图。

图2是本发明Au膜图形化后ZnO纳米线生长的分布图。

具体实施方式

本发明采用两步气相传输法生长ZnO纳米线阵列，即先在衬底上真空镀一层Au膜，再采用气相传输法进行纳米线阵列的生长，通过调节衬底上Au膜的厚度和位置，实现ZnO纳米线阵列直径大小和分布的可控生长。

具体工艺步骤如下：

第一步：在衬底上沉积Au膜

①、清洗衬底：（a）用普通清洗剂擦拭衬底，并用水冲洗，去除表面普通油脂；（b）用重铬酸钾溶液浸泡3个小时，并用去离子水超声清洗；（c）用丙酮溶液浸泡5分钟，并超声清洗 3 分钟，此步骤进行3次；（d）用无水乙醇溶液浸泡5分钟，并超声清洗 3 分钟，此步骤进行3次。

②、采用Au靶，并使用真空镀膜设备在衬底上制备Au膜。设备参数：压强10 Pa，电流10 mA。通过改变镀膜时间，可以改变制备的Au膜的厚度；

③、保持镀Au膜条件不变，固定Au膜的厚度，通过在衬底上放置模具，使Au膜在衬底上图形化，既改变Au膜沉积位置，实现对纳米线生长位置的控制。模具可以根据需要变换，以满足不同需求。

第二步：气相传输法制备ZnO纳米线阵列

①、称量等质量ZnO粉末和碳粉，并研磨混合，将其放入石英器皿中；

②、将镀有Au膜的衬底同样放在石英器皿中，置于①中混合粉末旁边，衬底与①中混合粉末在同一水平面上，距离粉末2.5 cm，使通入的气体先经过①中混合粉末，然后再经过衬底；

③、将石英器皿放入管式炉的石英管中，两端用金属套密封；

④、通过机械泵抽真空——打开机械泵，将器皿内的内空气抽出，压强达到10^-2 mbar，将炉温升到200 ℃，并保温10分钟，去除石英管内的水蒸气，通入混合气体（98%Ar + 2%O₂），清洗石英管内的气体3次。然后设置气流为50 sccm，管内压强保持在25 mbar，以50 ℃/min的升温速度将系统升到 960 ℃，保温10分钟，自然冷却；

⑤、冷却到室温后，将衬底取出，覆盖着灰白色的物质即为ZnO纳米线阵列。

在不同Au膜厚度的衬底上生长的ZnO纳米线生长的纳米线阵列的扫描电镜（SEM）结果表明，Au膜厚度不同导致Au颗粒尺寸的差异，进而直接影响了纳米线的直径。图1给出了Au颗粒和ZnO纳米线阵列的SEM图，表1给出了沉积时间对衬底上Au膜厚度、Au颗粒大小以及ZnO纳米线直径的影响。通过改变Au膜的沉积时间控制Au膜的厚度，加热后不同厚度的Au膜生成的Au颗粒的尺寸不同，在小尺寸Au颗粒的衬底上生长的纳米线的直径较小，反之则很大，最终有效控制了ZnO纳米线阵列的尺寸，实现了直径由60 nm至150 nm的可控生长。

表1 沉积时间对衬底上Au膜厚度、Au颗粒大小以及ZnO纳米线直径的影响

样品名称	沉积时间(s)	Au膜厚度(nm)	Au颗粒的直径(nm)	ZnO纳米线直径(nm)
					(a)	24	2	40	60
(b)	48	4	75	110
					(c)	60	5	80	120
(d)	72	6	100	150

利用模板将Au膜图形化后生长的ZnO纳米线阵列的扫描电镜（SEM）结果表明，通过改变Au膜的位置，可以控制纳米线生长的区域，使纳米线生长图形化。

图2给出了Au膜图形化后ZnO纳米线生长的分布图。

在镀Au膜时，采用模板将Au膜图形化，做成直径为0.4 mm的圆形，并使每个圆相隔2mm，发现只有在镀有Au膜的地方才生长了纳米线，生长的情况如图2 (a)，而没有Au膜的地方就没有纳米线生成。此外我们还用格形光栅作为模板，放在衬底上Au膜，生长的情况如图2 (b）生长出来的纳米线如同一块一块麦田。

Claims

1.一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长工艺，其特征在于：本生长工艺是采用两步气相传输法生长ZnO纳米线阵列，即先在衬底上真空镀一层Au膜，再采用气相传输法进行纳米线阵列的生长，通过调节衬底上Au膜的厚度和位置，实现ZnO纳米线阵列直径大小和分布的可控生长。

2.根据权利要求1所述的一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长工艺，其特征在于：具体工艺步骤如下：

（一）、在衬底上沉积Au膜：

①、清洗衬底：用普通清洗剂擦拭衬底，并用水冲洗，去除表面普通油脂；其次用重铬酸钾溶液浸泡3个小时，并用去离子水超声清洗；再用丙酮溶液浸泡5分钟，并超声清洗 3 分钟，此步骤进行3次；最后用无水乙醇溶液浸泡5分钟，并超声清洗 3 分钟，此步骤进行3次；

②、采用Au靶，并使用真空镀膜设备在衬底上制备Au膜，设备参数：压强10 Pa，电流10 mA，通过改变镀膜时间，可以改变制备的Au膜的厚度；

③、保持镀Au膜条件不变，固定Au膜的厚度，通过在衬底上放置模具，使Au膜在衬底上图形化，既改变Au膜沉积位置，实现对纳米线生长位置的控制，模具可以根据需要变换，以满足不同需求；

（二）、气相传输法制备ZnO纳米线阵列：

④、通过机械泵抽真空，打开机械泵，将器皿内的内空气抽出，压强达到10^-2 mbar，将炉温升到200 ℃，并保温10分钟，去除石英管内的水蒸气，通入混合气体（98%Ar + 2%O₂），清洗石英管内的气体3次，然后设置气流为50 sccm，管内压强保持在25 mbar，以50 ℃/min的升温速度将系统升到 960 ℃，保温10分钟，自然冷却；

3.根据权利要求2所述的一种垂直衬底的ZnO纳米线阵列尺寸、位置可控生长工艺，其特征在于：所述的改变镀Au膜时间，控制Au膜厚度分别为：时间是24 s 时，Au膜的厚度是2 nm，时间是48 s 时，Au膜的厚度是4 nm，时间是60 s 时，Au膜的厚度是5 nm，时间是72 s 时，Au膜的厚度是6 nm。