CN104775092A - 铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公了一种铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，属于纳米半导体材料制备和掺杂技术领域。本发明采用化学气象沉积方法，利用气-液-固生长机理，首先将纯度≥99.9％的硒化锌粉末置于水平管式炉的中部，将纯度≥99.9％的铋粉置于水平管式炉的前部，将生长衬底置于水平管式炉的后部，引入流量为85sccm的氩氢混合气作为载气并使炉内气压保持在20000-30000Pa。升温至1050℃并保温1h后降至室温。沉积衬底上生长出p-型硒化锌纳米线。该方法实现了硒化锌纳米线的同步生长和掺杂，避免了传统金催化生长过程中的杂质原子引入，简化了硒化锌纳米线的生长和掺杂工艺，降低了成本，且易于操作。
Description
技术领域：
本发明涉及一种半导体纳米材料的制备和掺杂方法，具体的说是铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法。
背景技术：
硒化锌被广泛的应用于各类光电子器件，是光电材料的热门研究领域。硒化锌纳米结构的研究和应用面临诸多的问题，如由于自补偿效应，硒化锌很难实现p-型掺杂(D.B.Laks and C.G.Van deWalle，Phys.B，1993，185，118.)。目前，实验中多采用化学气相沉积方法，利用金催化合成硒化锌纳米线(X.T.Zhang，Z.Liu，Y.P.Leung，Q.Li and S.K.Hark，Appl.Phys.Lett.，2003，83，5533.)。而为了实现有效p-型掺杂，氮、磷、铋、砷、锑等VI族元素常被用作掺杂源(X.W.Zhang，J.S.Jie，Z.Wang，C.Y.Wu，L.Wang，Q.Peng，Y.Q.Yu，P.Jiang and C.Xie，J.Mater.Chem.，2011，21，6020.，H.S.Song，W.J.Zhang，G.D.Yuan，Z.B.He，W.F.Zhang，Y.B.Tang，L.B.Luo，C.S.Lee，I.Bello and S.T.Lee，Appl.Phys.Lett.，2009，95，033117.)。但是金催化剂会在硒化锌纳米线生长过程中通过扩散进入纳米线体内形成深的杂质能级，形成非辐射的复合中心。这种非辐射复合中心在光电子器件应用中会增加载流子在纳米材料中的复合几率，降低光电转换效率等。因而有必要采用一种方法用同一种金属既催化生长硒化锌纳米线又掺杂硒化锌纳米线，从而避免外来杂质污染。
发明内容：
本发明旨在提供一种铋同步催化生长和催化p-型硒化锌纳米线的方法，以实现采用一种金属既作为催化剂又作为掺杂源，生长出p-型硒化锌纳米线，该制备方法简单，成本低、易于操作。
1.本发明解决技术问题采用如下技术手段：本发明利用了铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法。其特点在于：采用化学气象沉积方法，首先将质量为0.01-0.1g纯度为99.9％的铋粉盛入瓷舟放置在水平管式炉前部，将盛有0.3g纯度为99.9％的硒化锌粉末的瓷舟放置于水平管式炉中部即加热源处，将沉积衬底放置在水平管式炉的后部。密闭炉体，抽真空至4.5×10-3pa后，以85sccm的速率通入氩氢混合气(氩气和氢气的体积比为95∶5)作为载气，并保持炉体内压力为20000-30000Pa。升温至1050℃并保温1h后降至室温。沉积衬底上生长出p-型硒化锌纳米线。
2.本发明利用铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于：所使用的合成方法为化学气相沉积。
3.本发明利用铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于：金属铋既是硒化锌纳米线生长的催化剂，又是硒化锌纳米线掺杂的掺杂源。
4.本发明利用铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于：放置在水平管式炉前部的纯度为99.9％的铋粉的质量为0.01-0.1g，放置于水平管式炉中部的纯度为99.9％的硒化锌粉末的质量为0.3g。
5.本发明利用铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于：放置于水平管式炉后部的沉积衬底为经过丙酮、酒精、去离子水各10min超声清洗后的干燥空白硅片、石英玻璃。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.本发明中铋既是硒化锌纳米线生长的催化剂，又是硒化锌掺杂的掺杂源。本方法避免了金催化剂造成的深能级掺杂，同时实现了硒化锌纳米线的有效p-型掺杂。
2.本发明中工艺简单，成本低，无需先在沉积衬底上沉积金薄膜。合成的硒化锌纳米线结晶质量高，形貌良好。
附图说明：
图1为实施例1所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的扫描电镜图片。
图2为实施例1所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的高倍透射电镜图片。
图3为实施例1所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的顶栅场效应晶体管器件的输出特性曲线。
图4为实施例1所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的顶栅场效应晶体管器件的转移特性曲线。
图5为实施例2所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的扫描电镜图片。
图6为实施例2所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的高倍透射电镜图片。
图7为实施例2所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的顶栅场效应晶体管器件的输出特性曲线。
图8为实施例2所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的顶栅场效应晶体管器件的转移特性曲线。
图9为实施例3所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的扫描电镜图片。
图10为实施例3所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的高倍透射电镜图片。
图11为实施例3所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的顶栅场效应晶体管器件的输出特性曲线。
图12为实施例3所制得的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的顶栅场效应晶体管器件的转移特性曲线。
具体实施方式：
实施例1：
将质量为0.1g纯度为99.9％的铋粉盛入瓷舟放置在水平管式炉前部，将盛有0.3g纯度为99.9％的硒化锌粉末的瓷舟放置与水平管式炉中部即加热源处，将经过丙酮、酒精、去离子水各10min超声清洗的空白硅片衬底放置在水平管式炉的后部。密闭炉体，抽真空至4.5×10-3Pa后，以85sccm的速率通入氩氢混合气(氩气和氢气的体积比为95∶5)作为载气，并使炉体内部气压保持在20000-30000Pa。升温至1050℃，保温1h后使炉体自然降温至室温，沉积衬底上生长出黄褐色的p-型硒化锌纳米线。
本实施例所合成的硒化锌纳米线如图1所示，所合成的纳米线形貌良好；结晶质量良好，如图2所示。用本实例所制得的铋同步催化生长和掺杂硒化锌纳米线制备的顶栅场效应晶体管器件的输出特性曲线如图3所示，图4为其转移特性曲线，从图中可知，随着栅电压(Vgs)的增加，源漏电流(Ids)减小，符合场效应晶体管器件中的p沟道的导电特性，证实在空白硅片衬底上，金属铋可以同时催化生长和掺杂合成p-型硒化锌纳米线。
实施例2：
将质量为0.05g纯度为99.9％的铋粉盛入瓷舟放置在水平管式炉前部，将盛有0.3g纯度为99.9％的硒化锌粉末的瓷舟放置与水平管式炉中部即加热源处，将经过丙酮、酒精、去离子水各10min超声清洗的空白硅片衬底放置在水平管式炉的后部。密闭炉体，抽真空至4.5×10-3pa后，以85sccm的速率通入氩氢混合气(氩气和氢气的体积比为95∶5)作为载气，并使炉体内部气压保持在20000-30000Pa。升温至1050℃，保温1h后使炉体自然降温至室温，沉积衬底上生长出黄褐色的p-型硒化锌纳米线。
本实施例所合成的硒化锌纳米线如图5所示，所合成的纳米线形貌良好；结晶质量良好，如图6所示。用本实例所制得的铋同步催化生长和掺杂硒化锌纳米线制备的顶栅场效应晶体管器件的输出特性曲线如图7所示，图8为其转移特性曲线，从图中可知，随着栅电压(Vgs)的增加，源漏电流(Ids)减小，符合场效应晶体管器件中的p沟道的导电特性，证实在空白硅片衬底上，金属铋可以同时催化生长和掺杂合成p-型硒化锌纳米线。
实施例3：
将质量为0.05g纯度为99.9％的铋粉盛入瓷舟放置在水平管式炉前部，将盛有0.3g纯度为99.9％的硒化锌粉末的瓷舟放置与水平管式炉中部即加热源处，将经过丙酮、酒精、去离子水各10min超声清洗的空白石英玻璃衬底放置在水平管式炉的后部。密闭炉体，抽真空至4.5×10-3pa后，以85sccm的速率通入氩氢混合气(氩气和氢气的体积比为95∶5)作为载气，并使炉体内部气压保持在20000-30000Pa。升温至1050℃，保温1h后使炉体自然降温至室温，沉积衬底上生长出黄褐色的p-型硒化锌纳米线。
本实施例所合成的硒化锌纳米线如图9所示，所合成的纳米线形貌良好；结晶质量良好，如图10所示。用本实例所制得的铋同步催化生长和掺杂硒化锌纳米线制备的顶栅场效应晶体管器件的输出特性曲线如图11所示，图12为其转移特性曲线，从图中可知，随着栅电压(Vgs)的增加，源漏电流(Ids)减小，符合场效应晶体管器件中的p沟道的导电特性，证实在空白石英玻璃衬底上，金属铋可以同时催化生长和掺杂合成p-型硒化锌纳米线。
Claims (4)
1.铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于：将质量为0.01-0.1g纯度为99.9％的铋粉盛入瓷舟放置在水平管式炉前部，将盛有0.3g纯度为99.9％的硒化锌粉末的瓷舟放置与水平管式炉中部即加热源处，将沉积衬底放置在水平管式炉的后部。密闭炉体，抽真空至4.5×10-3Pa后，以85sccm的速率通入氩氢混合气(氩气和氢气的体积比为95∶5)作为载气，并使炉体内部气压保持在20000-30000Pa。升温至1050℃，保温1h后使炉体自然降温至室温，沉积衬底上生长出黄褐色的p-型硒化锌纳米线。
2.如权利要求1所述的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于，铋既是化学气相沉积生长硒化锌纳米线的催化剂，又是实现硒化锌纳米线p-型掺杂的掺杂源。
3.如权利要求1所述的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于，放置在水平管式炉前部的纯度为99.9％的铋粉的质量为0.01-0.1g，放置于水平管式炉中部的纯度为99.9％的硒化锌粉末的质量为0.3g。
4.如权利要求1所述的铋同步催化生长和掺杂p-型硒化锌纳米线的方法，其特征在于，放置于水平管式炉后部的沉积衬底为经过丙酮、酒精、去离子水各10min超声清洗后的干燥空白硅片、石英玻璃。
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| CN101693528A (zh) * | 2009-10-19 | 2010-04-14 | 新疆大学 | 一种生长ZnSe单晶纳米线的方法 |
| CN102168309A (zh) * | 2011-04-07 | 2011-08-31 | 合肥工业大学 | 利用化学气相沉积原位掺杂制备p型IIB-VIA族准一维半导体纳米材料的方法 |
| CN102602984A (zh) * | 2012-03-22 | 2012-07-25 | 合肥工业大学 | 一种P型掺杂ZnSxSe1-x纳米材料及其制备方法 |
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