CN104860261A - 一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，所述反应装置包括一表面制备有周期性纳米硅柱的硅衬底、供盛放化学反应物原料的舟以及供输入反应气体的管式真空炉，所述硅衬底和舟放置于所述管式真空炉内，所述硅衬底水平放置于所述舟的上方，且所述硅衬底上制备有周期性纳米硅柱的一面朝向所述舟上的化学反应物原料。本发明通过将表面制备有周期纳米硅柱的硅电极衬底生长面向下放置在盛有化学反应物的舟上，以控制横向生长纳米线网形成纳米网桥接电路，而不需要镀金膜作为催化剂，从而节省了工序和降低了成本。

Description

一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置
技术领域
本发明涉及半导体纳米线制备领域，特别是涉及一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置。
背景技术
科学研究表明，纳米线网可以提高半导体材料的比表面积和电学性能，故对于如何制备纳米线网的研究也在不断地研究。现有的关于制备纳米线网的技术主要有两种：
其一，在已经公开的文献1中(具体见文末)，揭示了一种利用后处理的方法制备横向单臂碳纳米管网(Carbon nanotube nanonets)电路的方法，可以参见图1，该方法是将纳米管分布在二氧化硅的硅衬底表面，然后利用紫外曝光光刻的方法镀金属膜作为栅极、漏极、门电极的技术方法，制备基于碳纳米管网的三极管电子器件。
上述方法虽然可制得纳米线网，但其存在一定的缺陷。上述现有技术一的缺点在于：在制备工艺中需要在纳米线表面甩胶、紫外曝光等光刻工艺，工艺复杂，处理的多步工艺，两栅极和漏极电极之间所包含的纳米线的密度很难控制，无法保证每次制备的纳米网电子器件所包含的纳米线网的均一性。
其二，在已经公开的相关技术文献(2)中，公开了一种利用静电纺丝(electro-netting)的方法制备了类肥皂泡状的聚丙烯酸纳米网(polyacrylic acid nano-nets)，其具有巨大的比表面积。
上述方法二中所制得的纳米线网虽然具有较大的比表面积，但是在制备工艺中需要添加各种各种添加剂，而且还需要各种酸碱化学环境，从而不利于硅基纳电子器件的应用。
综合现有技术来看，现有的纳米线制备方法在制备工艺上较为复杂而且还需要各种添加剂，而且所制备得到的相关纳米线网也不是特别理想，因此需要对现有的纳米线制备工艺或设备进行改进。
附：现有公开文献
文献1：[Ninad Pimparkar and Muhammad Ashraful Alam，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.29，NO.9，1036-1039，2008]
文献2：[Shangbin Yang et al，Nanoscale，2011，3，564–568]
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，用于解决现有技术纳米线的制备设备较为复杂且所只得到纳米线并不理想的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，所述反应装置包括一表面制备有周期性纳米硅柱的硅衬底、供盛放化学反应物原料的舟以及供输入反应气体的管式真空炉，所述硅衬底和舟放置于所述管式真空炉内，所述硅衬底水平放置于所述舟的上方，且所述硅衬底上制备有周期性纳米硅柱的一面朝向所述舟上的化学反应物原料。
作为上述用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置的优选方案，所述周期性纳米硅柱为蚀刻成形于所述硅衬底上的多个多边形硅柱。
作为上述优选方案的进一步优化，每个所述多边形硅柱的高度为500-800μm，且所述多个多边形硅柱相互间的间距范围为50-200μm。
如上所述，本发明的具有以下有益效果：通过将表面制备有周期纳米硅柱的硅电极衬底生长面向下放置在盛有化学反应物的舟上，以控制横向生长纳米线网形成纳米网桥接电路，而不需要镀金膜作为催化剂，从而节省了工序和降低了成本。
附图说明
图1为本发明提供一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置原理图。
图2a-2e为图1中所述周期性纳米硅柱所可能具备各种结构的仰视结构示意图。
附图标号说明
1  硅衬底
11 周期性纳米硅柱
2  舟
3  化学反应物
4  管式真空炉
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置原理图，如图所示，所述反应装置包括一表面制备有周期性纳米硅柱11的硅衬底1、供盛放化学反应物3原料的舟2以及供输入反应气体的管式真空4炉，硅衬底1和舟2放置于管式真空4炉内，硅衬底1水平放置于舟2的上方，且硅衬底1上制备有周期性纳米硅柱11的一面朝向舟2上的化学反应物3原料。通过上述本发明提供的反应装置，将没有镀金属催化剂的、刻有周期性纳米硅柱11的硅衬底1面向化学反应物3的舟2上，并与输入的反应气体结合，进而在硅衬底1上的周期性纳米硅柱11的侧面棱角处实现了横向生长纳米线网的目的，此种方法可利用纳米线网桥接多个硅电极以制备真正意义上的纳米电路，也为实现真正意义上的纳米网电路和纳电子器件提供了一个简洁的制备装置。
具体地，在本发明人在先申请专利(申请号CN201410128252)中，已经公开一种在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，不过该方法以及该制备方法中所涉及的反应设备只能制备单一的横向纳米线，并不能实现如何制备纳米线网，故发明人在在先专利方案的基础上有研发出了一种可以制备纳米线网的反应装置。故如何利用本发明所提供的反应装置在工艺上来实现纳米线网的制备，这里就不再具体阐述。
进一步地，在上述反应装置中所提供的硅衬底1，其上的周期性纳米硅柱11是在硅衬底1的人一面所在端面上进行蚀刻来得到的多个多边形硅柱，请参见图2a-2e，示出了图2a-2e为图1中周期性纳米硅柱11所可能具备各种结构的仰视结构示意图，其中，所述多边形硅柱既可以是规则的正方形柱体或长方形柱体(如图2a和2b)，也可以是不规则的多边形柱体，例如梯形柱体、三角形柱体等(如图2c和2d)。而且，同一硅衬底1的端面上也可以包括多种不同的多边形硅柱(如图2e)，或者只包括多个一种多边形硅柱。也即是，只要周期性纳米硅柱11具有棱角即可，而不在意其具体形状。
更加详细地来说，虽然对于周期性纳米硅柱11的形状有各种选择，但是周期性纳米硅柱11中的每个多边形硅柱之间的间距范围是有一定限制，一般将间距防伪设计在50-200μm为俱佳。如果将间距设计的过窄那么所制备得到的纳米线效果并不理想，而且还需要更加严格或者规格更好的反应条件，那么不利于简单制备的条件；而如果间距过大，那么有可能将得不到的纳米线网，而且制备的时间也会相应的增加。
还有，每个所述多边形硅柱的高度一般为500-800μm俱佳，如果高度过高那么反应气体并不能有效地与周期性纳米硅柱11接触反映，进而导致无法制得纳米线网；而如果是高度过低，那么也不利于反应气体流畅地通过，从而也无法制得较长的横向纳米线。
较优地，舟2中所盛放的化学反应物3原料为氧化锌粉和石墨粉的物理混合物，而反应气体为惰性载流气体和氧气，一般惰性载流气体可以选用氮气或氩气。
为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明所提供的反应装置，下面将具体说明如何利用本发明提供的反应装置来实现在硅电极上制备横向纳米线网。
具体地，首先，将硅衬底1(没有镀任何金属催化剂，利用光刻工艺在表面制备有周期性纳米硅柱11)放置在盛有化学反应物3(氧化锌粉和石墨粉)的舟2上，且将硅衬底1生长面(即周期性纳米硅柱11所在一面)面向化学反应物3(氧化锌粉和石墨粉)；接着，然后用机械泵把管式真空4炉抽真空，把真空管加热到960左右度，然后通入100sccm氮气和1.5sccm的氧气(即按照惰性载流气体和氧气的体积流量比为100：1.5)，并控制压强到300毫巴左右，生长时间为30分钟左右；最后，让管式真空4炉自然降温，在硅衬底1的周期性纳米硅柱11侧面棱角处即可制备出横向生长的氧化锌纳米线网。
通过利用上述反应装置来实现的制备工艺，在硅衬底1上不需要镀催化剂金膜的工艺，且在电极表面不生长竖直的纳米线，而直接在硅衬底1上只横向生长氧化锌纳米线网，实现桥接多个硅电极目的。从而简化了制备工序，实现了离散控制、定位、定向横向生长氧化锌纳米线网电路桥接多个电极的目的。本发明区别于现有的两种横向纳米线制备装置，不需要金属催化剂，不需要各种化学环境和添加剂，不需要预先镀氧化锌薄膜种子层，避免了在电极表面和侧面同时生长纳米线，同时也避免了造成的金属污染或者使处理工序复杂化的趋势。
综上所述，本发明的创新点为：把表面制备有周期纳米硅柱的硅电极衬底生长面向下放置在盛有化学反应物3的舟2上，能控制横向生长纳米线网形成纳米网桥接电路，不需要镀金膜作为催化剂，节省工序降低成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于：所述反应装置包括一表面制备有周期性纳米硅柱的硅衬底、供盛放化学反应物原料的舟以及供输入反应气体的管式真空炉，所述硅衬底和舟放置于所述管式真空炉内，所述硅衬底水平放置于所述舟的上方，且所述硅衬底上制备有周期性纳米硅柱的一面朝向所述舟上的化学反应物原料。
2.根据权利要求1所述的用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于，所述周期性纳米硅柱为蚀刻成形于所述硅衬底上的多个多边形硅柱。
3.根据权利要求2所述的用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于，每个所述多边形硅柱的高度为500-800μm，且所述多个多边形硅柱相互间的间距范围为50-200μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于，所述舟中所盛放的化学反应物原料为氧化锌和石墨的物理混合物。
5.根据权利要求4所述的用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于，所述反映气体为惰性载流气体和氧气。
6.根据权利要求5所述的用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于，所述惰性载流气体为氩气或氮气。
7.根据权利要求5所述的用于在硅电极上制备横向纳米线网的反应装置，其特征在于，所述惰性载流气体和氧气的体积流量比为100：1.5。
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