CN105088342B - 一种Ge量子点的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ge量子点的制备方法，该方法为室温下直接在石墨烯上生长Ge量子点。该方法提供了一种可以实现小尺寸、高密度Ge量子点的制备方法，无需后续退火等复杂工艺，简化了工艺流程。本发明利用了石墨烯与Ge量子点的低相容性，保证了Ge量子点的低基质元素含量和低缺陷率；同时，通过石墨烯层的原子级平滑界面促进了Ge量子点的自组织生长，从而提高Ge量子点点阵密度和尺寸结构。此外，本发明通过将Ge量子点带隙可调的特性和石墨烯优异的光电特性结合，有效地为高性能的光电探测器件奠定了技术基础。

Description

一种Ge量子点的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及半导体量子点的制备方法，具体而言，是涉及一种小尺寸、高密度的Ge量子点的生长方法及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂窝状晶格的平面薄膜，由于在狄拉克点附近的线性能带结构色散和电子与空穴二者极高的载流子迁移率，石墨烯作为下一代半导体材料，引起了相当多的关注。

量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子构成。粗略的讲，量子点三个维度的尺寸都在100nm以下，对载流子在空间的三个方向均具有限制作用，使得它表现出许多独特的光学和电学性质，如量子限制效应、量子隧穿效应、库伦阻塞效应和量子干涉效应等。利用这些性质制作的新型功能器件在未来微电子和光电子应用中将表现出重要作用。

然而现有的量子点的制备方法存在明显的缺点，如基片的清洗工艺复杂、Ge量子点的形貌和尺寸均匀性差、自组装性差等情况，这些缺点对量子点在后续的器件中的性能有很大的影响。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

（1）采用工业界通用的离子束溅射设备在以石墨烯层作为生长界面来生长Ge量子点，降低了Ge量子点的生长成本和技术要求，有利于量子点产品的产业化。

（2）由于石墨烯具有均匀的界面，以石墨烯作为Ge量子点的生长界面，形成了形貌和均匀性较好的量子点。

（3）石墨烯有良好的光电特性，Ge量子点的带隙可调，二者结合所得的复合材料具有优良的光电特性，对光电器件的制备有极大的研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自组织生长Ge量子点的方法。所述的方法选用具有优异光电性能的石墨烯作为衬底，在获得生长均匀，密度较大的Ge量子点的同时，简化了量子点的制备过程，提高了生长效率、降低了生产成本，满足工业化规模生产。

本发明所述的Ge量子点的生长方法通过下列技术方案实现：

（1）提供一块基底，清洗除去基底上的污染物；

（2）在清洗干净的基底上转移单层（1-10个单原子层）石墨烯层；

（3）在石墨烯层上在室温下生长1-10nm厚度的Ge量子点。

所述的基底，本发明没有特殊要求，可以为单层，选自晶态基底、玻璃态基底、金属箔片中的一种；可以为多层，选自SiO₂/Si、InAs/GaAs、Si/SiO₂中的一种。

所述的石墨烯的转移方法选自聚甲基丙烯酸甲酯转移法、热释放胶带转移法、聚二甲基硅氧烷转移法中的一种，优选地，聚甲基丙烯酸甲酯转移法。

所述的Ge量子点的生长方法为分子束外延、化学气相沉积、磁控溅射、离子束溅射、液相外延中的一种，优选地，离子束溅射。

所述的Ge量子点的制备方法，所生长的Ge量子点的密度高、尺寸小。量子点密度为1.0×10⁹cm^-2-1.0×10¹¹cm^-2，量子点高度为1-10nm，量子点底径在10-100nm。

本发明采用上述方案，有效解决了常规技术制备量子点材料存在的生产成本高、工艺复杂、不利于大规模生产等不足，获得了密度大、尺寸均匀性较高的量子点材料，满足光电信息器件的应用需求。

附图说明

图1是本发明所述Ge量子点的生长方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施实例生长的Ge量子点的AFM图；

图3为本发明第一实施实例提供的量子点发光器件的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步描述，本领域的研究人员应该明了，所述的实施例不能视为对本发明的具体限制。

实施例1

所用设备为现有技术的FJL560Ⅲ型超高真空磁控和离子束联合溅射设备，在生长室安置有离子束溅射枪。设备所用靶材为纯度为5N（含量在99.999%以上）的高纯Ge方块形靶。溅射气体用纯度为5N的高纯氩气。超声清洗使用市购的超声清洗器。具体是：

用现有技术对基底SiO₂/Si进行下列处理：

A .选定SiO₂/Si基底，先用丙酮超声清洗10min，再用无水乙醇循环超声清洗10min，丙酮、无水乙醇交替超声清洗一次为一个周期，共洗2个周期，以除去表面的有机物、丙酮、无机杂质离子；

B .将清洗过的基片放入H₂SO₄：H₂O₂混合溶液中，其中H₂SO₄：H₂O₂是按体积比为2:1的比例进行混合，将基片放入混合溶液中浸泡15min，漂去基片表面的有机物、金属离子。将清洗的基片用去离子水冲洗，再用纯度为5N的氮气吹干；

C .将1×1规格的石墨烯转移至B步骤处理过的基片上，放入溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0×10^-4Pa，向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.0×10^-2Pa，在离子束流为7mA，束流电压为1KV的条件下，溅射生长厚度为0.8nm厚度的Ge量子点，Ge量子点的生长速率为0.011nm/s。

实施例2

所以设备和材料均与实施例1相同，具体是：

用现有技术对基底Si进行下列处理：

A .选定Si基底，先用丙酮超声清洗10min，再用无水乙醇循环超声清洗10min，丙酮、无水乙醇交替超声清洗一次为一个周期，共洗2个周期，以除去表面的有机物、丙酮、无机杂质离子；

B .将清洗过的基片放入H₂SO₄：H₂O₂混合溶液中，其中H₂SO₄：H₂O₂是按体积比为2:1的比例进行混合，将基片放入混合溶液中浸泡15min，漂去基片表面的有机物、金属离子。将清洗的基片用去离子水冲洗，再用纯度为5N的氮气吹干；

C .将1×1规格的石墨烯转移至B步骤处理过的基片上，放入溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0×10^-4Pa，向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.4×10^-2Pa，在离子束流为10mA，束流电压为1KV的条件下，溅射生长厚度为2.1nm厚度的Ge量子点，Ge量子点的生长速率为0.021nm/s。

实施例3

所以设备和材料均与实施例1相同，具体是：

用现有技术对基底SiO₂/Si进行下列处理：

A .选定基底，先用丙酮超声清洗15min，再用无水乙醇循环超声清洗15min，丙酮、无水乙醇交替超声清洗一次为一个周期，共洗2个周期，以除去表面的有机物、丙酮、无机杂质离子；

B .将清洗过的基片放入H₂SO₄：H₂O₂混合溶液中，其中H₂SO₄：H₂O₂是按体积比为2:1的比例进行混合，将基片放入混合溶液中浸泡15min，漂去基片表面的有机物、金属离子。将清洗的基片用去离子水冲洗，再用纯度为5N的氮气吹干；

C .将1×1规格的石墨烯转移至B步骤处理过的基片上，放入溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0×10^-4Pa，向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.4×10^-2Pa，在离子束流为10mA，束流电压为1KV的条件下，溅射生长厚度为3.7nm厚度的Ge量子点，Ge量子点的生长速率为0.021nm/s。

Claims (6)

1.一种Ge量子点的制备方法，其特征在于量子点的生长方法包括如下步骤：

（1）提供一块基底，清洗除去基底上的污染物；

（2）在清洗干净的基底上转移1-10个单原子层的石墨烯层；

（3）在石墨烯层上在室温下生长1-10nm厚度的Ge量子点；

生长Ge量子点的方法为离子束溅射沉积法，生长Ge量子点是在室温条件下进行的，即实验过程中，无需加热，无需退火，试验参数为：生长室内本底真空小于3.0×10^-4Pa，工作气体为Ar，其工作压强为1.0×10^-2Pa-5.0×10^-2Pa的条件下，束流电压为0.2KV-2KV，束流为5-15mA，Ge层的沉积速率为0.01nm/s-0.05nm/s。

2.如权利要求1所述的一种Ge量子点的制备方法，其特征在于所述的基底为单层，选自晶体基底、玻璃态基底、金属箔片中的一种。

3.如权利要求1所述的一种Ge量子点的制备方法，其特征在于所述的基底为多层，选自SiO₂/Si、InAs/GaAs、Si/SiO₂中的一种。

4.如权利要求3所述的一种Ge量子点的制备方法，所选的基底为SiO₂/Si，清洗的步骤为：自来水超声清洗10-20min，去离子水超声清洗10-20min，乙醇超声清洗10-20min，丙酮超声清洗10-20min，且每次超声前用去离子水冲洗3-5min，最后用H₂SO₄：H₂O₂配比为2:1的混合溶液浸泡基片10-20min，最后，用去离子水冲洗3-5min，并用高纯氮气吹干。

5.如权利要求1所述的一种Ge量子点的制备方法，其特征在于所述转移石墨烯层的方法为聚甲基丙烯酸甲酯转移法、热释放胶带转移法、聚二甲基硅氧烷转移法中的一种。

6.如权利要求1所述的一种Ge量子点的制备方法，其特征在于所述生长的Ge量子点的密度为1.0×10⁹ cm^-2-1.0×10¹¹ cm^-2，量子点高度为1-10nm，量子点底径在10-100nm。