CN106835265B - 一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，涉及氧化锌纳米柱阵列的生长方法。提供制备氧化锌的工艺更加简易和广泛化的一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法。通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；去除PMMA保护膜；将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列。不仅克服现有氧化锌纳米柱阵列生长过程中衬底选择的局限性，而且成功生长出品质优良的氧化锌纳米柱阵列，使氧化锌纳米柱阵列的制备和应用更趋于简易化和广泛化，可在柔性衬底上直接生长，更有利于在微电子器件上的应用。

Description

一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法
技术领域
本发明涉及氧化锌纳米柱阵列的生长方法，尤其是涉及到在任意衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的技术。
背景技术
随着微电子器件技术的蓬勃发展，纳米技术将在电子产品领域掀起一场新的变革。以往披着神秘外衣的纳米材料逐渐融入人们的生活，应用于人们生活的方方面面。其中具有广阔应用前景的氧化锌纳米材料因其优良的特性获得众多学者的青睐。氧化锌是优良的半导体材料，它的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，可应用于液晶显示屏、薄膜晶体管、发光二极管等众多电子器件。氧化锌纳米材料的研究始于20世纪90年代，美国、德国、日本、韩国等已经在氧化锌研究方面做了很多工作。对于氧化锌纳米材料的研究最重要的就是其制备方法。随着研究的不断深入，目前已有具备多种制备纳米氧化锌的方法，如：水热技术、蒸汽传输技术、溶液方法、有机化学气相淀积、热蒸发和化学气相沉积等等([1]I.W.Okpashi et al.,Journal of Nanomedicine&Nanotechnology,06(05)(2015)；[2]L.P.Xu et al.,AcsACS Appl.Mater.Inter.,7(36)(2015),20264-20271)。其中CVD技术由于其高纯度和良好的可控性，表现出很大的优势，是目前生长纳米氧化锌较为成熟的方法([3]Z.Liu et al.,Nat.Nanotechnology,8(2)(2013),119-124)。
作为纳米级别的氧化锌材料通常以纳米粒、纳米柱、纳米环等形式存在。因为其存在形多样化使得我们在生长大面积、质量完好的氧化锌纳米柱阵列时遇到很大困难。最大的一个问题就是生长衬底选择的局限性。尽管蓝宝石一项被用作氧化锌薄膜生长的衬底，但它们之间存在较大的晶格失配，从而导致氧化锌外延层的位错密度较高，进一步使器件性能退化。另外如果仅仅使用同质外延，虽然可以实现无应变、低的缺陷密度，但是局限了衬底的选择性。
为了研究和应用方便，大多数晶体外延生长主要依靠异质衬底来实现。因此预导向层在外延生长中起到至关重要的作用。在氧化锌纳米柱阵列的生长研究中，一开始在铜衬底上生长氧化锌纳米棒，人们通常用石墨烯作为在铜箔上生长氧化锌纳米棒的缓冲层，这是由于外延生长的氧化锌纳米棒和石墨烯具有特别相似的原子构型。基于石墨烯的一些潜在的特性对长在其上面的氧化锌纳米棒的影响，考虑用和石墨烯具有相同结构的h-BN作为缓冲层来生长氧化锌纳米材料。氮化硼具有和石墨烯相同的六角结构，却比石墨烯表现出更适合做缓冲层的特性。h-BN是宽禁带的绝缘体，禁带宽度达5.9eV，还具有原子级的光滑表面，B原子和N原子以sp2键杂化结合在一起，高透明度、高柔韧度，很容易转移到任何衬底上。这些优良的特性使h-BN薄膜在外延生长中成为良好的诱导剂。
发明内容
本发明的目的是为了克服外延生长氧化锌时，衬底选择的局限性，提供制备氧化锌的工艺更加简易和广泛化的一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法。
本发明包括以下步骤：
1)通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；
2)采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；
3)去除PMMA保护膜；
4)将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列。
在步骤1)中，所述通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜的具体方法可为：对衬底进行电化学抛光预处理，并放置于CVD反应区，采用Borazane粉末作为反应源，放置于CVD源区，在H2和Ar混合气体携带下进行反应，实现在衬底表面上单原子层氮化硼薄膜的生长；所述H2可采用4～8sccm，所述Ar可采用10～20sccm；所述反应的温度可为1050℃；所述衬底可采用铜箔衬底。
在步骤2)中，所述采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面的具体方法可为：在六方氮化硼的衬底表面，旋涂上一层PMMA薄膜保护氮化硼薄膜，然后再利用过硫酸铵溶解掉衬底,接着利用转移工具将PMMA/六方氮化硼薄膜转移覆盖到目标衬底上；所述目标衬底可选自金属箔衬底、石英玻璃衬底、PDMS衬底、硅片衬底、PET衬底等中的一种。
在步骤3)中，所述去除PMMA保护膜的具体方法可为：将步骤2)得到的产物放入丙酮溶液浸泡,去除掉样品表面的PMMA；所述浸泡的步骤可为：用丙酮溶液浸泡10min，更换丙酮溶液，重复浸泡更换3次后，每24h更换一次丙酮溶液，48h后完全去除PMMA。
在步骤4)中，所述将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列的具体方法可为：首先给CVD腔中通入氮气，对衬底表面进行退火处理，然后加热锌粉，再通入氮气和氧气混合气作为载气，将锌粉带到衬底表面，氧气和锌蒸气在衬底表面生成氧化锌纳米棒阵列，冷却并持续通入氮气，即完成衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的目的；所述氮气的流量可为100sccm，所述加热锌粉的温度可为600℃；所述氮气和氧气的流量可分别为100sccm和8sccm；所述氧气和锌蒸气在衬底表面生成氧化锌纳米棒阵列的时间可为30min；所述冷却并持续通入氮气的时间可为120min。
氮化硼在垂直氧化锌纳米线生长过程中充当预成核层和预导向层作用，可引导氧化锌纳米柱阵列的直接垂直生长。以化学气相外延生长方法为例，反应温度和反应时间是成功生长垂直对齐的氧化锌纳米线阵列的关键。1g的高纯度金属锌粉作为源材料，放在中央加热区。将覆盖单层氮化硼的金属衬底放在原材料下游2cm处。压强为1000Pa。
本发明通过化学气相外延方法在铜箔衬底上生长质量完好的单层氮化硼薄膜，之后将单层氮化硼薄膜转移至任意目标衬底表面，采用氧化锌纳米柱生长技术如化学气相外延或者水热法等，成功在非晶、多晶衬底上直接生长整齐氧化锌纳米柱阵列。本发明不仅克服了现有氧化锌纳米柱阵列生长过程中衬底选择的局限性，而且成功生长出直径约为118nm，长度为15μm的品质优良的氧化锌纳米柱阵列，为纳米科技的发展提供了良好的基础材料。本发明使氧化锌纳米柱阵列的制备和应用更趋于简易化和广泛化，可在柔性衬底上直接生长，更有利于在微电子器件上的应用。
附图说明
图1为氧化锌纳米棒在任意目标衬底上生长的原理示意图。
图2为CVD生长对齐的氧化锌纳米柱阵列的示意图。
图3为SEM图显示衬底与锌粉的距离对氧化锌纳米柱生长的影响。
图4为SEM图表明温度对氧化锌纳米柱生长的影响。
图5为ZnO纳米柱的侧视的SEM图。
图6为ZnO纳米柱的俯视的SEM图。
图7为高分辨下的TEM图和对该区域的选区电子衍射图。
图8为氧化锌纳米柱阵列的XRD能谱。
图9为弯曲的ZnO/h-BN/Cu样品。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式和步骤作具体说明。
1、首先，Cu衬底的抛光处理以及单层h-BN的生长。
1)将铜箔衬底剪出所有的尺寸，然后放在配好的电解液中，外加电压4.8V，电流3A，抛光时间2min。取出铜箔，先用过离子水冲洗再用酒精冲洗，氮气吹干，即得表面较光滑的铜箔衬底。
2)用分析天平称量borazane 6g作为源放入前区反应区，抛光过的铜箔放入后区反应区，设置温度，前区温度设为90℃，反应区温度设为1050℃。开始加热，当反应区温度达到900℃时，保持温度900℃恒定不变，通入Ar/H2(20/10sccm)对铜衬底进行淬火处理20min，然后继续升温，当反应区温度达到1050℃时，通入H2(4～8sccm)和Ar(10～20sccm)，此时氩气和氢气的混合气体作为载体气体将borazane粉送到衬底，反应5～20min，反应结束后对其迅速降温冷却，冷却过程中继续通入气体对样品进行保护。这样在铜衬底上就长出了h-BN晶体结构。
2、将生长质量完好的氮化硼薄膜转移到目标衬底
1)通过匀胶机在长满单层六方氮化硼的铜箔表面，旋涂上一层PMMA薄膜保护氮化硼薄膜，待空气中自然干燥30min之后，放在加热台上100℃，20min(下面垫上干净的载玻片)，然后再利用过硫酸铵溶解掉铜衬底，待铜全部熔化掉，转移到去离子水中浸泡30min，接着利用转移工具将PMMA/六方氮化硼薄膜转移覆盖到目标衬底上，自然干燥后放入干燥箱150℃，烘烤1h。目标衬底可为金属箔、石英玻璃、PDMS、硅片、PET等。
3、用丙酮去除表面的PMMA
1)将上一步得到的样品用丙酮浸泡10min，除去PMMA，换3次丙酮溶液，进行长时间浸泡，一天换一次丙酮溶液，换丙酮溶液时勿让样品暴露在空气中，2～3天后，用无水乙醇冲洗，取出。
4、以上实验工作完成后，进入氧化锌纳米棒阵列的生长阶段。
1)以前三阶段转移好的目标衬底为衬底，在其上面生长氧化锌纳米柱阵列如图1。接下来用化学气相外延的方法进行生长；称量1g的高度纯金属锌粉(5N)作为源材料放在中央加热区(如图2)。将目标衬底放在锌粉下游2cm位置处(该距离是氧化锌纳米柱阵列成核最优距离，如图3)，在开始加热之前，整个系统的大气压调到1×10-3Pa.,通入氮气流量为100sccm在CVD室中退火衬底表面。当温度达到600℃(不同反应温度对氧化锌纳米柱阵列的生长影响不同如图4，经过测试选取600℃为生长最佳温度)时开始进入反应阶段，通入N2/O2(＝100/08sccm)混合气体作为载体气体，载体气体结合锌蒸汽传输到目标衬底表面，氧化锌在衬底表面沉积开始生长。生长30min后，进行快速冷却，冷却过程中继续通入氮气120min 使生长好的氧化锌纳米棒更加整齐。之后关闭氮气，取出样品整个生长过程结束。
5、对氧化锌纳米柱阵列进行测试分析。
1)通过对氧化锌纳米柱阵列的SEM表征如图5和6，发现无论侧视还是俯视都可以清楚看到纳米柱的均匀整齐排列，很好地沿着垂直于衬底表面的方向生长。接着对生长好的样品进行TEM测试和XRD能谱表征。高分辨下的TEM图如图7所示，可以清楚看到，ZnO纳米柱的整齐的晶格条纹，且无不同方向的晶格混杂，说明生长出的单晶纳米柱为高质量无缺陷的。晶格条纹间距为0.52nm，即纤锌矿ZnO的c轴方向相邻面之间的距离，由此可以确定ZnO的结构。同时可以从选区电子衍射图看出明亮的晶格衍射点，可以证明氧化锌是垂直衬底生长的。图8是XRD能谱图，在34°处出现的尖锐的XRD衍射峰，其直接对应于ZnO的(002)晶面，这正是ZnO纳米柱的六角纤锌矿的重要证据。从能谱上看到只有一个尖锐的(002)峰，且该衍射峰的半高宽为792arcsec，这也进一步证明生长方向是垂直衬底的外延生长。
2)除了生长出的氧化线纳米柱质量较好外，其柔韧性也是值得称赞的。如图9当弯曲衬底时，衬底上的氧化锌纳米柱阵列也会随之弯曲，其之间的分立性未变。这为纳米压电装置的制备提供了良好的材料，具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；
2)采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；
所述采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面的具体方法为：在六方氮化硼的衬底表面，旋涂上一层PMMA薄膜保护氮化硼薄膜，然后再利用过硫酸铵溶解掉衬底,接着利用转移工具将PMMA/六方氮化硼薄膜转移覆盖到目标衬底上；
3)去除PMMA保护膜：将步骤2)得到的产物放入丙酮溶液浸泡,去除掉样品表面的PMMA；所述浸泡的步骤为：用丙酮溶液浸泡10min，更换丙酮溶液，重复浸泡更换3次后，每24h更换一次丙酮溶液，48h后完全去除PMMA；
4)将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列：首先给CVD腔中通入氮气，对衬底表面进行退火处理，然后加热锌粉，再通入氮气和氧气混合气作为载气，将锌粉带到衬底表面，氧气和锌蒸气在衬底表面生成氧化锌纳米棒阵列，冷却并持续通入氮气，即完成衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的目的。
2.如权利要求1所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于在步骤1)中，所述通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜的具体方法为：对衬底进行电化学抛光预处理，并放置于CVD反应区，采用Borazane粉末作为反应源，放置于CVD源区，在H2和Ar混合气体携带下进行反应，实现在衬底表面上单原子层氮化硼薄膜的生长。
3.如权利要求2所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述H2采用4～8sccm，所述Ar采用10～20sccm。
4.如权利要求2所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述反应的温度为1050℃；所述衬底采用铜箔衬底。
5.如权利要求1所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述目标衬底选自金属箔衬底、石英玻璃衬底、PDMS衬底、硅片衬底、PET衬底中的一种。
6.如权利要求1所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述氮气的流量为100sccm，所述加热锌粉的温度为600℃；所述氮气和氧气的流量分别为100sccm和8sccm。
7.如权利要求1所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述氧气和锌蒸气在衬底表面生成氧化锌纳米棒阵列的时间为30min；所述冷却并持续通入氮气的时间为120min。
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