CN104986722A - 一种纳米图形化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米图形化的方法，所制备结构单元具有周期性排列，所述纳米图形化方法包括以下步骤：提供至少由两种化学元素组成的单晶材料的衬底；对衬底或表面进行加热；利用离子束辐照衬底表面，在衬底表面产生空位。

Description

一种纳米图形化方法
技术领域
本发明涉及一种纳米图形化方法，特别是涉及制备周期性纳米阵列结构的方法，制备结构的周期在纳米级别。
背景技术
纳米结构阵列可以应用在各个工程领域，并且可以通过多种方法制备，例如，在半导体工业采用模板和光刻的方法或采用电子束刻蚀的方法。然而光刻技术中，结构制备的分辨率受光波长的限制，因此传统的光刻技术在制备小尺寸结构方面工艺复杂，有局限性。同时，电子束刻蚀采用连续直写的方法进行纳米制备，非常耗时。因此该方法不适合于大面积制备纳米结构阵列。
举另外一个例子，专利DE 199 32 880 A1阐述了一种采用惰性气体离子轰击化合物半导体表面，制备有序纳米结构阵列的方法。该方法是基于化合物表面的两种原子具有不同的溅射速率，形成表面纳米结构阵列。该方法所提出的离子轰击纳米制备过程中，样品要通过冷却水及液氮进行冷却处理。该方法所制备的纳米结构的分布和均匀性都比较差。该方法不适合制备周期性排列高质量单晶纳米结构。更重要的是该方法所制备的纳米结构表面的晶体结构被离子轰击所破坏，具有一层表面非晶层，因此该方法不适用于制备连续的高质量的单晶纳米结构阵列。上述方法所制备纳米结构缺乏单晶质量和规则度，所以限制这些纳米结构阵列潜在的应用。例如采用该方法所制备的纳米线由于表面非晶层的存在，强烈破坏了其电学输运性能。
因此，本专利发明了一种简单并且低成本方法制备大面积具有高质量晶体的纳米结构阵列。
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纳米图形化方法，用于解决现有技术中制备的纳米结构表面被离子轰击破坏后具有非晶层、且纳米结构的分布和均匀性较差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纳米图形化方法，所述纳米图形化方法包括下述步骤：
提供由至少两种化学元素所组成的单晶材料作为衬底；
对所述衬底进行加热；
用离子束辐照所述衬底，以在所述衬底中产生晶格空位，通过空位的自组装从而制备具有空间周期性排列的表面纳米结构阵列。
可选的，在用离子束辐照所述被加热材料表面时，由于离子束溅射作用，表面的原子被溅射离开表面。
可选的，所述衬底的整个表面在图案化的时间内都受到相同条件的离子束辐照。
可选的，所述离子束产生的离子动能在50eV到100keV。
可选的，所述衬底在离子束辐照时的温度至少要达到材料的再结晶温度。
可选的，所述衬底在离子辐照时的温度最高为到材料表面台阶Ehrlich-Schwoebel势垒失效温度。
可选的，所述衬底材料层为化合物半导体材料。
可选的，所述衬底材料层为具有闪锌矿结构晶体材料。
可选的，所述衬底材料层为一个平表面，该表面与闪锌矿结构晶体的(100)表面之间存在一个斜切角。
可选的，纳米制备离子辐照过程中，所述衬底是由一个接触式加热器和/或由离子束流产生的自加热效应来进行加热。
可选的，使用所述纳米图形化的方法可以制备周期性排列的纳米结构阵列，其中，所述纳米结构阵列表面具有特殊晶面的小平面结构。
如上所述，本发明的纳米图形化方法，具有以下有益效果：本发明中纳米加工的表面层在辐照溅射过程中被加温，离子辐照在纳米结构阵列中所产生的缺陷将被修复，至少部分或所有表面材料发生在再结晶现象，因此该方法避免了传统离子辐照溅射过程材料表面的非晶化，同时由于表面的单晶特性，辐照过程中表面形成了周期性排列的纳米结构阵列。该纳米结构阵列形状及取向反映了单晶表面的晶体对称性。采用离子辐照材料表面进行纳米制备的过程中，离子在晶格中所产生的缺陷被退火修复，所制备的纳米结构阵列具有高质量的单晶特性。衬底材料在离子辐照过程被加热，温度达到材料本身的再结晶温度以上，因此可以有效的退火修复离子辐照在材料表面纳米制备层中引入的缺陷。
附图说明
图1为本发明根据一个实施例的示意图。
图2为本发明GaAs(100)纳米图形化表面的扫描电子显微照片。
图3为本发明InAs(100)纳米图形化表面的扫描电子显微照片。
图4为本发明纳米图形化GaAs层截面透射电子显微照片。
图5为本发明在斜切表面制备的非对称侧面周期性线状波纹阵列的截面示意图。
图6为本发明根据图5所示结构作为沉积模板的示意图。
图7为本发明用于制备纳米线的示意图。
元件标号说明
1                      衬底
3                      真空腔
5                      加热片
7                      离子束
9                      待构造层的前端面
11                     (100)面
13、15                 侧面
16                     沉积或外延异质材料
17                     具有较宽禁带的材料层或电绝缘材料层
19                     纳米线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
该发明可以实现具有周期排列的器件制备，周期尺寸在纳米级。换句话说，该纳米图形化方法提供一种制备周期性排列纳米结构阵列的技术。该纳米图形化方法是在晶体衬底材料表面进行的，衬底通常是化合物材料，成份中包含两种原子，例如单晶GaAs或InAs。该发明在单晶衬底制备表面纳米阵列时，衬底将被加热，同时离子辐照溅射加热的单晶衬底实现表面纳米结构阵列的制备。离子束的参数(特别是离子的能量)和衬底在辐照溅射时的温度对于该工艺非常重要。这些参数要保证单晶层中由于离子辐照所产生的缺陷可以被动态退火。制备纳米结构时样品的温度可以称为成为“制备温度”。该温度在制备前已经确定，在制备过程中可以通过温度传感器测定(利用采用一个热电偶或红外测温器)。
所发明的方法可以制备具有小平面侧面的周期性排列的高质量单晶纳米结构阵列。特别是，该方法在对样品表面加温时对表面进行纳米图形化。在离子辐照溅射过程中，本发明专利中提出的衬底进行加温，比对其进行冷却，可以在表面得到更加规则的纳米结构阵列，特别是制备大面积具有周期性排列的单晶纳米结构。如果在离子辐照溅射过程，不对样品进行加热，单晶衬底表面将会形成非晶层，所制备的纳米结构具有很高的缺陷密度，同时纳米阵列的规则度不高，表面存在高密度的形貌缺陷。
本发明中所提出的表面纳米图形化技术是一种自组装过程，该过程是基于离子溅射单晶衬底表面原子，产生空位，通过空位的扩散形成具有小平面侧面的纳米结构表面(即纳米结构的侧面同主晶面成特定的角度)。
根据本发明，纳米加工的表面层在辐照溅射过程中被加温，离子辐照在纳米结构阵列中所产生的缺陷将被修复，至少部分表面材料发生在再结晶现象，因此该方法避免了传统离子辐照溅射过程材料表面的非晶化，同时由于表面的单晶特性，辐照过程中表面形成了周期性排列的纳米结构阵列，该纳米结构阵列的形状及取向反映了晶体的对称性。采用离子辐照材料表面进行纳米制备的过程中，离子在晶格中所产生的缺陷被退火修复，所制备的纳米结构阵列具有高质量的单晶特性。衬底材料在离子辐照过程被加热，温度达到材料本身的再结晶温度以上，因此可以有效的退火修复离子辐照在材料表面纳米制备层中引入的缺陷。
该发明中采用的离子束具有均匀的离子束流密度和离子能量。纳米加工的材料表面平整，例如平整的如某一个晶面。该发明中，离子辐照可以是对整个表面进行辐照，或者对已经存在纳米图案的表面进行纳米加工，如在离子辐照过程中采用掩膜版遮挡，每个被离子辐照溅射的区域具有相同的离子参数，例如离子能量、离子束流密度和离子辐照时间与辐照剂量相关等。离子束截面形状和入射方向可控，离子束辐照材料表面的区域和纳米加工的区域一致，整个受到辐照的区域将产生纳米结构阵列。
离子束是由带电荷的离子或中和后的离子组成。通过校准，离子束沿特定的方向辐照。该发明中制备表面纳米结构过程中离子束辐照可以垂直入射样品表面，同时也可以采用其他可调的入射角度。所制备的表面纳米结构具有周期性排列，并且具有高的单晶质量。所制备的纳米结构的周期小于1000纳米(但不仅仅限于1000纳米以下)。纳米结构是指尺寸在纳米尺度的结构，例如，小于100纳米。
所发明的方法是一种自组装的纳米制备方法，离子辐照单晶材料表面产生空位，通过空位的自组装再分布形成纳米结构阵列，这同通过其他材料或缺陷遮盖进行离子辐照或刻蚀效应制备纳米加工材料表面的方法是不同的。这种方法通常会形成不规则的圆锥(即锥形结构)或者凹陷(即坑状结构)。
该发明的方法制备表面纳米结构的形状和取向是由晶体表层的对称性所决定的，所制备的纳米阵列沿特定的晶格取向排列，例如，离子辐照GaAs(100)表面或具有相同闪锌矿晶体结构表面会产生沿[1-10]方向延伸的纳米线状或沟槽状结构。所制备纳米结构阵列的尺寸取决于离子能量、离子束流密度、离子能量密度及离子辐照时样品的温度。所制备的纳米结构的尺寸从几纳米到几百纳米。该方法可以制备不同的纳米结构阵列，例如西洋棋盘图案及纳米点表面图案、以及具有二维对称性的线状(波纹状)表面纳米结构阵列。所制备的纳米结构阵列可以应用在光学元件、电学元件、光电子元件、光伏元件、热电器件，也可应用在储能、催化、化学分析、如光探测器及其他传感器领域。
采用该专利中的发明可以制备周期性结构的线状图案，周期尺寸在1纳米到1000纳米之间，该结构可以应用在光栅制备、并可以作为模板，在其表面沉积或外延其他材料以形成纳米线阵列，该结构可以作为场效应晶体管沟道区域。同时该纳米制备技术可以应用到具有不同材料的异质衬底的表面纳米图形化。即衬底具有上层和下层两种不同的材料组成，该异质材料可以通过外延的方法来制备。特别是应用在光栅结构制备、纳米线结构制备，及作为模板沉积制备其他纳米材料。同时该方法制备表面纳米结构，不需要对材料表面做预处理，因为在离子辐照过程，离子通过对表面的溅射，对表面一直在进行清理。
该发明中，离子束的辐照过程即为离子束溅射过程。离子束的参数(特别是离子束的能量)的选取是基于离子对加热材料表面的溅射作用。载能离子对固体材料表面原子的溅射可以通过离子对固体表面轰击的过程进行理解。用于载能离子对表面原子的溅射，表面原子离开材料表面，同时，材料表面形成空位和吸附原子，产生空位的量远远超过吸附原子的量。
纳米加工的单晶材料是由两种或更多化学成份组成的化学计量比的材料。根据一个实施方案，纳米制备的材料为化合物半导体材料，特别是III-V族化合物半导体材料如GaAs、InAs、GaSb。同时，纳米制备的材料也可以是II-VI族半导体材料，例如，ZnSe、CdTe、HgS或者是由化学周期表中两种四族元素组成的化合物，例如，SiC或SiGe。进行纳米制备的材料也可以是金属间化合物(如GaPd,FeAl,MgSi2)及氧化物(例如TiO2，ZnO)。
对于制备高质量及表面小平面化的纳米结构阵列。需要一个能产生能量范围在10-100000eV均匀离子束的离子源。特别是使用气体离子源，包括He+,Ne+,Ar+,Kr+,Xe+惰性气体,或其他气体源,如N+,O+等气体离子。离子溅射需要真空条件，例如在一个真空的腔体中完成，其压强在10-3mbar以下。离子能量在50eV-10keV之间。离子束的束流密度和离子流量密度在0-1017cm-2s-1之间，特别是在1014cm-2s-1到1017cm-2s-1之间。离子剂量在1016cm-2and 1020cm-2之间。离子辐照时间取决于具体的工艺条件，一般在10分钟到200分钟之间。
离子束可以采用大截面宽束，这样通过一步辐照就可以形成大面积的纳米图形结构，通过所发明的方法在不需要掩膜板的条件下，通过自组装制备大面积的纳米结构。相比之下，基于掩膜版方法制备纳米结构，离子束只是溅射没有被模板遮盖的区域。最小的离子束的截面面积也大于本发明所能够制备的纳米结构的尺寸。例如，离子束最小的截面尺寸至少在1000纳米或者更大(例如，1毫米、1厘米或20厘米)。另外，本发明中所采用的离子束的束斑尺寸大大超过周期性结构的周期尺寸。即离子束辐照时，它的尺寸覆盖整个需要制备纳米图形的面积。
当离子辐照溅射进行时，样品表面产生缺陷，例如Frenkel缺陷，空位和间隙原子，当样品表面的温度升高到至少材料表面再结晶温度以上时，离子辐照在样品表面以下(体部分)所产生的空位和间隙原子可以动态退火复合。只有在近表面的吸附原子和空位能够保持下来。本发明制备表面纳米结构的原理是基于近表面产生空位和吸附原子的动力学过程，该过程在离子辐照过程持续的发生，其中，表面空位的扩散和再分布形成反应晶格对称性纳米结构是主要原因。
通常情况下，离子束中离子的能量足够高使辐照的表面产生大量缺陷或导致表面非晶化，根据一个实施例，辐照的样品表面加热到足够高的温度，表面产生的空位可以进行扩散，并聚集成反应晶体对称性的孔洞结构。表面空位的扩散常数受温度的影响，随着温度的升高而升高。根据此实施例空位的扩散是在辐照材料表面完成的。所制备的纳米结构的单晶特性和规则度都大幅度的提高，制备的纳米结构具有完全的单晶特性。
根据进一步的实施案例，纳米制备时，材料表面的温度的上限为Ehrlich-Schwoebel势垒温度，其中Ehrlich-Schwoebel势垒能量EES对应得温度即活化温度TES满足方程EES＝kTES(k为波尔兹曼常数)。因此，当结构化温度处于最高时，该温度下材料中的原子的热能刚好等于Ehrlich-Schwoebel势垒能量。如果温度高于这个值，材料中的Ehrlich-Schwoebel势垒将失效，原子或空位将越过势垒，均匀扩散。
对于空位或原子在晶体表面的扩散，在晶体表面台阶的边缘存在一个约束原子或空位扩散的屏障，这通常被称为Ehrlich-Schwoebel势垒(也称为ES势垒)。由于材料表面经过离子辐照后仍然能保持单晶的结构，从本质上讲，空位和原子在材料表面扩散时受到了ES势垒的影响，更确切的说是扩散的缺陷(尤其是空位)的热能量不足以克服ES势垒。纳米图形化温度最高为材料中(特别是扩散的空位/原子)ES势垒所对应的温度。高于这个温度，ES势垒将失效。材料表面的结构就在ES势垒对空位扩散的约束作用下形成。
纳米图形化温度一般在30℃到1000℃之间可以对材料产生作用。在实际应用中，确定上述条件的纳米图形化温度会十分复杂。它需要根据具体的环境和不同的条件来进行优化以选择最佳纳米图形化温度。特别对于化合物半导体材料，如果将纳米图形化温度(采用开尔文温标)设置为介于材料熔点温度的25％到75％之间，所制备的材料表面将具有高度的规则性和良好的单晶特性。所以，纳米图形化材料的温度应该介于这个温度窗口之间。特别是，我们可以用材料熔点温度的40％预估为材料的再结晶温度。举个例子，如果我们用1KeV的Ar+离子在200℃到430℃辐照InAs材料表面或者在200℃到500℃辐照GaAs表面，所得到的结构将具有高度的规则性和良好的单晶特性。
对于不同衬底材料的加热，可以单独由一个接触式加热器进行加热或者单独由离子束流产生的自加热效应来进行加热，来达到本发明中制备单晶、规则纳米阵列的最佳条件。
而对于本实施例例举的一些衬底材料，例如InAs、GaAs，尽管在离子辐照过程中，材料表层由于离子能量的输入会发热，然而，纳米图形化时还需要额外的加热，来达到纳米图形化的制备的最佳条件。特别是，在一定温度条件下可以对由于离子辐照引起的晶体缺陷进行有效的退火。另外，通过增加离子束流而增加样品表面的热输入，通常也会增加晶体的晶格缺陷，这将影响所制备纳米结构的晶体质量。因此，可以采用离子束自加热效应无关的额外热源如加热片，对纳米图形化的样品进行加热，以达到本发明中制备单晶、规则纳米阵列的最佳条件。
纳米制备的材料表面为面向离子束正入射在材料层表面。根据实施案例，制备结构时，待构造材料从背面进行加热。例如，我们可以用一个与待构造材料层背部接触的元件(例如热板)作为加热器件进行加热。
与基板接触的加热材料最好是非金属材料，例如半导体材料。因而，待构造材料层中高扩散率的金属杂质的扩散可以得到抑制。特别是对于化合物半导体层相关材料的半导体晶体结构制备，因为金属杂质会大大影响化合物半导体的电学和晶体特性。
对于同种待构造的材料我们可以提供一个温度，在该温度下，由于外来元素的扩散所导致的晶体无序性将得到抑制。
根据一个实施案例，所述层的材料是一种具有闪锌矿晶体结构的材料。例如化合物半导体。这种待构造材料的(100)表面通常是四重或二重对称的结构，而在(111)平面，通常是六重或三重对称的结构。用于本专利中纳米制备方法制备的纳米结构反映晶格的对称性。因此，我们可以在不同晶向的表面制备不同形状的表面图案结构。
特别的，所提供的带构造层为闪锌矿结构晶体的(100)面(例如待构面前面为晶体(100)表面)。在这种情况下，周期性线状波纹结构阵列或者栅状结构就会被制备出来。这种结构，可以用来制备光栅，也可以用来作为模板生长其他材料。(100)面在离子束正入射辐照下，将产生对称的光栅结构。其中，所形成的表面纳米结构的表面晶面将会形成与(100)面相同的夹角。
根据一个实施案例，辐照表面或者是待构造层的前端面是一个平坦的表面，但是其与闪锌矿结构晶体的(100)表面具有斜切角度。当离子束辐照斜切表面时，特别是垂直入射时，所得到的光栅结构将不是对称的。这样制备的光栅结构两侧面对于离子辐照的斜切面具有不同的角度。这种非对称性光栅结构可以用来制备闪耀光栅或者选择性覆盖薄膜(例如气相沉积)的模板。通过调节斜切角度((100)面与辐照平面的夹角)，就可以调节闪耀光栅的闪耀角。上述相对应(100)表面的斜切角优选的最高可到30°，如面向(111)面的斜切方向。
本发明将在下文中通过相对应的实施案例的参考附图进一步阐明。
图1示意了一个实施案例的图案化工艺流程。在图1中，提供了衬底1。举个例子，该衬底完全由两种元素构成的单晶层组成。例如III-V族化合物半导体的圆形晶片，GaAs或InAs，直径为1-200cm。衬底1被安置在真空腔3中，与之相连的加热器的加热元件5未详细标出。衬底1由加热器的加热元件5控制加热。离子束7是一个未标出的离子源(例如考夫曼离子源)，它将直接入射到衬底的前端面9。离子束7将会产生动能从50eV到100keV范围的惰性气体(这里为Ar)的离子束。在本例中，离子束动能为1keV，离子束流密度为1015cm-2s-1，剂量为1019cm-2。离子束7的横截面为直径大于1cm的圆面，以保证能完全覆盖衬底1的前端面9。从而前端面9就能受到相同的离子辐照。(即整个衬底1的前端面将收到相同的离子辐照)。离子束7垂直入射到衬底1的前端面9，通过溅射在表面产生空位。图1所示的图案制备装置可进一步包括一个质谱仪(未标出)来识别溅射元素，以及一个高温计(未标出)来检测衬底1的温度。
当衬底1是由GaAs构成时，用加热器加热元件5对衬底1进行加热至200℃到500℃，例如400℃(约为GaAs熔点温度的45％)。当衬底1是由InAs构成时，用加热器加热元件5对衬底1进行加热至100℃到430℃，例如350℃(约为InAs熔点温度的50％)。
在离子辐照材料纳米图形化的过程中，真空腔的压强小于10-3mba。加热元件是由氮化硼这种非金属材料制成。
在上述辐照条件下，材料表面会进行自组装。最终在衬底1的前端面9大面积地形成具有表面小晶面的、单晶的、周期的表面结构图案。所得结构的形状和对称性依赖于衬底1的晶体结构和晶体取向以及相应的辐照参数。
图2展示了GaAs(100)表面根据实施案例中的方法进行图形化后的扫描电子显微镜照片。GaAs衬底1的(100)表面作为前端面9，在上述条件下进行离子辐照，辐照温度为400℃。如图2所示，GaAs表面在离子辐照下产生了纳米尺度的线状波纹的周期性图案。这些波阵面沿着闪锌矿晶体结构的GaAs衬底1的[1-10]方向排列。
图3展示了InAs(100)表面根据实施案例中的方法进行图形化后的扫描电子显微镜照片。InAs衬底1的(100)表面作为前端面9，在上述条件下进行离子辐照，辐照温度为350℃。如图3所示，InAs表面在离子辐照下产生了纳米尺度的线状波纹的周期性图案。这些线状波纹结构阵列沿着闪锌矿晶体结构的InAs衬底1的[1-10]方向排列。
根据图2和图3，周期性线状波纹结构阵列的结构单元和波阵面都沿着[1-10]晶体方向延伸。波形轮廓的周期在30nm到500nm之间，纳米结构高度(振幅)在5nm到200nm之间。这些值都可以通过改变离子能量、离子电流密度、离子剂量、辐照温度和斜切角(辐照面与(100)面之间的夹角)来调节。
图4展示了GaAs(100)表面根据实施案例中的方法进行图形化后的截面透射电子显微镜照片。GaAs表面形成的周期性排列的具有特定小晶面结构在所示平面内具备优良的单晶特性。在该图形化过程中，离子束垂直辐照在GaAs(100)表面。如图4所示，在单个线状波纹图案中可以看出，纳米结构的两个侧面与(100)平面形成相同的角度，这里约为20°。
图5是闪锌矿结构晶体作为衬底1据实施案例中的方法进行图形化的示意图。暴露在离子束的前端面9为一个平坦的表面且与闪锌矿结构的晶体(100)表面存在一个斜切角(例如朝(111)平面的偏10°)。在图5中我们用虚线11来说明(100)面的取向。这种材料，例如GaAs和InAs，可在上述相应的离子辐照和温度条件下进行纳米图形化。离子束7将垂直入射在斜切表面。离子辐照将在斜切表面形成周期性纳米线状波纹结构图案。其中。两个侧面13、15与垂直于斜切表面法线方向的平面具有不同的角度。这种表面结构可以用来制备闪耀光栅和作为取向选择性沉积的模板。
图6是根据图5所示结构作为沉积模板的示意图。这些表面结构可以用来作为生长纳米结构异质材料16的模板，例如外延或者沉积。
图7展示了一个根据实施案例制备纳米线或者纳米线阵列的方法(其中纳米线可以理解为横截面直径小于100nm的线)。如图7所示，由两种化学元素构成的化合物材料的单晶层组成的衬底1相邻于由绝缘材料或具有较宽禁带的材料层17组成的第二层。例如第一层(衬底)由闪锌矿结构材料构成(如化合物半导体)，前端面9和层1(衬底1)都是晶体的(100)平面。离子束垂直辐照在层1(衬底1)的前端面9上。如图7b所示，结果会形成周期性纳米线状波纹结构图案。离子束通过不断刻蚀层1(衬底1)，最终达到具有较宽禁带的第二层，即绝缘材料或具有较宽禁带的材料层17，如图7c所示，这样就会得到相互分离的纳米线19。
综上所述，本发明涉及一种纳米结构制备图形化的方法，所制备结构单元具有周期性排列。包括以下步骤：提供至少由两种化学元素组成的单晶材料的衬底；对衬底或表面进行加热；利用离子束辐照衬底表面，在衬底表面产生空位。本发明中纳米加工的表面层在辐照溅射过程中被加温，离子辐照在纳米结构阵列中所产生的缺陷将被修复，至少部分表面材料发生在再结晶现象，因此该方法避免了传统离子辐照溅射过程材料表面的非晶化，同时由于表面的单晶特性，辐照过程中表面形成了周期性排列的纳米结构阵列。采用离子辐照材料表面进行纳米制备的过程中，离子在晶格中所产生的缺陷被退火修复，所制备的纳米结构阵列具有高质量的单晶特性。衬底材料在离子辐照过程被加热，温度达到材料本身的再结晶温度以上，因此可以有效的退火修复离子辐照在材料表面纳米制备层中引入的缺陷。
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 (11)

1.一种纳米图形化方法，其特征在于，所述纳米图形化方法包括下述步骤：
提供由至少两种化学元素所组成的单晶材料作为衬底；
对所述衬底进行加热；
用离子束辐照所述衬底，以在所述衬底中产生晶格空位，通过空位的自组装从而制备具有空间周期性排列的表面纳米结构阵列。
2.根据权利要求1所述的纳米图形化方法，其特征在于：在用离子束辐照所述被加热材料表面时，由于离子束溅射作用，表面的原子被溅射离开表面。
3.根据权利要求1或2所述的纳米图形化方法，其特征在于：所述衬底的整个待构造表面在图案化的时间内都受到相同条件的离子束辐照。
4.根据权利要求3所述的纳纳米图形化方法，其特征在于：所述离子束产生的离子动能在50eV到100keV。
5.根据权利要求1所述的纳米图形化方法，其特征在于：所述衬底在离子束辐照时的温度至少要达到材料的再结晶温度。
6.根据权利要求1所述的纳米图形化方法，其特征在于：所述衬底在离子辐照时的温度最高为到材料表面台阶Ehrlich-Schwoebel势垒失效温度。
7.根据权利要求1所述的纳米图形化方法，其特征在于：所述衬底材料层为化合物半导体材料。
8.根据权利要求1或7所述的纳米图形化方法，其特征在于：所述衬底材料层为具有闪锌矿结构晶体材料。
9.根据权利要求8所述的纳米图形化方法，其特征在于：所述衬底材料层为一个平表面，该表面与闪锌矿结构晶体的(100)表面之间存在一个斜切角。
10.根据权利要求1所述的纳米图形化方法，其特征在于：纳米制备离子辐照过程中，所述衬底是由一个接触式加热器和/或由离子束流产生的自加热效应来进行加热。
11.根据权利要求1所述的纳米图形化方法，其特征在于：使用所述纳米图形化的方法制备周期性排列的纳米结构阵列，其中，所述纳米结构阵列表面具有特殊晶面的小平面结构。
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