CN107564947A - 纳米异质结构 - Google Patents

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张金
魏洋
姜开利
范守善
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Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种纳米异质结构。该纳米异质结构包括一第一碳纳米管，该第一碳纳米管朝一第一方向延伸；一半导体层，该半导体层的厚度为1~100纳米；一第二碳纳米管，该第二碳纳米管设置于所述半导体层的表面，使半导体层设置于第一碳纳米管和第二碳纳米管之间，该第二碳纳米管朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夹角，该夹角大于0度小于等于90度。

Description

纳米异质结构
技术领域
本发明涉及一种纳米异质结构。
背景技术
异质结是由两种不同的半导体材料相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
近年来，二维半导体材料由于具有优异的电子和光学性能，成为异质结构领域的研究热点。然而，受技术水平的限制，这种材料的异质结构通常为微米结构，一定程度上限制了其应用范围。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种纳米异质结构。
一种纳米异质结构，其包括一第一碳纳米管，该第一碳纳米管朝一第一方向延伸；一半导体层，该半导体层的厚度为1~100纳米；一第二碳纳米管，该第二碳纳米管设置于所述半导体层的表面，使半导体层设置于第一碳纳米管和第二碳纳米管之间，该第二碳纳米管朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夹角，该夹角大于0度小于等于90度。
优选地，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管分别为单壁碳纳米管，更进一步地，为金属型单壁碳纳米管。
优选地，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管的直径为1纳米～10纳米。
优选地，所述半导体层为过渡金属硫化物，更进一步地，所述半导体层为硫化钼材料。
优选地，第一碳纳米管和第二碳纳米管的延伸方向相互垂直。
相较于现有技术，本发明所提供的纳米异质结构中，第一碳纳米管和第二碳纳米管以及夹在第一碳纳米管和第二碳纳米管之间的半导体层形成一个三层立体结构，该三层立体结构的横截面的大小由第一碳纳米管和第二碳纳米管的直径决定，由于碳纳米管的直径为纳米级，因此，该三层立体结构的横截面为纳米级，故，该纳米异质结构在应用时具有较低的能耗、较高的空间分辨率以及更高的完整性。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的纳米异质结构的整体结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的纳米异质结构的侧视示意图。
图3为本发明第二实施例提供的纳米异质结构的制备方法流程图。
图4为本发明第三实施例提供的纳米晶体管的结构示意图。
图5为本发明第四实施例提供的纳米晶体管的制备方法流程图。
图6为本发明第五实施例提供的光探测器的结构示意图。
主要元件符号说明
纳米异质结构 100
第一碳纳米管 102
半导体层 104
第二碳纳米管 106
三层立体结构 110
纳米晶体管 200
源极 202
漏极 204
栅极 208
绝缘层 210
光探测器 300
第一电极 302
第二电极 304
电流探测元件 306
电源 308
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的有机发光二极管制备方法和制备装置作进一步的详细说明。
请参阅图1及图2，本发明第一实施例提供一种纳米异质结构100。该纳米异质结构100包括一第一碳纳米管102、一半导体层104及一第二碳纳米管106.所述第一碳纳米管102朝一第一方向延伸。所述半导体层104的厚度为1~100纳米。所述第二碳纳米管106设置于所述半导体层104的表面，使半导体层104设置于第一碳纳米管102和第二碳纳米管106之间。所述第二碳纳米管106朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夹角，该夹角大于0度小于等于90度。
所述第一碳纳米管102可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。所述第一碳纳米管102为金属型碳纳米管或者半导体型碳纳米管，优选地，为金属型碳纳米管。第一碳纳米管102的直径不限，可以为0.5纳米~150纳米，在某些实施例中，第一碳纳米管102的直径可以为1纳米~10纳米。优选地，第一碳纳米管102为单壁碳纳米管，其直径为1纳米~5纳米。本实施例中，第一碳纳米管102为金属型单壁碳纳米管，其直径为1纳米。所述第一碳纳米管102朝第一方向延伸。
所述半导体层104为一二维结构的半导体层，即半导体层104的厚度较小，半导体层的厚度为1纳米~200纳米，优选地，其厚度为1纳米~10纳米，本实施例中，半导体层的厚度为2纳米。所述半导体层104的材料可以为N型半导体，也可以为P型半导体。所述半导体层104的材料不限，可以为无机化合物半导体、元素半导体或有机半导体材料，如：砷化镓、碳化硅、多晶硅、单晶硅或萘等。在一些实施例中，半导体层104的材料为过渡金属硫化物材料。本实施例中，半导体层104的材料为硫化钼（MoS2），为N型半导体材料，其厚度为2纳米。
所述第二碳纳米管106可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。所述第二碳纳米管106为金属型碳纳米管或者半导体型碳纳米管。第二碳纳米管106的直径不限，可以为0.5纳米~150纳米，在某些事实例中，第二碳纳米管106的直径可以为1纳米~10纳米。优选地，第二碳纳米管106为单壁碳纳米管，其直径为1纳米~5纳米。本实施例中，第二碳纳米管106为金属型单壁碳纳米管，其直径为2纳米。第二碳纳米管106和第一碳纳米管102的材料和尺寸可以相同，也可以不同。所述第二碳纳米管106朝一第二方向延伸。
所述第一碳纳米管102的延伸方向和第二碳纳米管106的延伸方向之间形成一夹角，该夹角大于0度小于等于90度，即，第一方向和第二方向之间的夹角大于0度小于等于90度。在某些实施例中，第一方向和第二方向之间的夹角为大于60度小于等于90度。优选地，第一方向和第二方向之间的夹角为90度。本实施例中，如图1所示，第一碳纳米管102的延伸方向和第二碳纳米管106的延伸方向相互垂直，即夹角为90度。第一碳纳米管102和第二碳纳米管106相互交叉，在交叉点形成一由第一碳纳米管102、半导体层104和第二碳纳米管106组成的一三层立体结构110。该三层立体结构110的横截面的面积由第一碳纳米管102和第二碳纳米管106的直径决定。由于第一碳纳米管102和第二碳纳米管106均为纳米材料，该三层立体结构110的横截面面积也是纳米级。优选地，该三层立体结构110的横截面的面积为0.25nm2~1000nm2之间。更优选地，该三层立体结构110的横截面的面积为1nm2~100nm2之间。
第一碳纳米管102和第二碳纳米管106与二维半导体层104在三层立体结构110处形成范德华异质结构。在应用时，第一碳纳米管102和第二碳纳米管106与半导体层104之间形成肖特基结，电流可以穿过该三层立体结构110。由于第一碳纳米管102和第二碳纳米管106均为纳米材料，该三层立体结构110的横截面面积也是纳米级，即形成了纳米异质结构。该纳米异质结构具有较低的能耗、较高的空间分辨率以及更高的完整性。
请参见图3，本发明第二实施例进一步提供一种上述纳米异质结构的制备方法，其包括以下步骤：
S1：提供一支撑结构，在所述支撑结构上形成一第一碳纳米管层，该第一碳纳米管层包括多个第一碳纳米管；
S2：在所述第一碳纳米管层上形成一半导体层；
S3：覆盖一第二碳纳米管层于所述半导体层上，该第二碳纳米管层包括多个第二碳纳米管，其中至少一个第二碳纳米管的延伸方向与所述第一碳纳米管的延伸方向相互交叉；
S4：找出一组相互交叉的第一碳纳米管和第二碳纳米管，标识该组第一碳纳米管和第二碳纳米管，将其余的第一碳纳米管和第二碳纳米管去除；以及
S5：将上述结构进行退火处理。
在步骤S1中，所述支撑结构用于支撑第一碳纳米管层，其材料不限。优选地，支撑结构为绝缘材料。本实施例中，支撑结构为一双层结构，下层为硅材料，上层为氧化硅，其中氧化硅的厚度为300纳米。第一碳纳米管层中包括多个第一碳纳米管。该第一碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。该第一碳纳米管可以为金属型或者半导体型。第一碳纳米管的直径不限，可以为0.5纳米~150纳米，在某些实施例中，第一碳纳米管102的直径可以为1纳米~10纳米。优选地，第一碳纳米管102为单壁碳纳米管，其直径为1纳米~5纳米。所述多个第一碳纳米管的排列方向不限，可以交叉排列或平行排列。本实施例中，第一碳纳米管层中的多个第一碳纳米管相互平行。在支撑结构上形成一第一碳纳米管层的方法可以为转移方法，该转移方法包括以下步骤：
S11：在一基底上生长一第一碳纳米管层，该第一碳纳米管层包括多个相互平行的碳纳米管。其中，所述基底为硅基底。
S12：涂覆一过渡层于上述第一碳纳米管层的表面。本实施例中，所述过渡层的材料为PMMA。所述过渡层的厚度不限，优选为1~10微米。
S13：将涂覆有过渡层的第一碳纳米管层以及基底放入一碱性溶液中加热至70~90摄氏度，使过渡层和第一碳纳米管层与基底分离。本步骤中，第一碳纳米管层与过渡层结合更加紧密，在过渡层与基底分离时，至少部分第一碳纳米管层形成于过渡层上。所述碱性溶液可以为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。本实施例中，涂覆有过渡层的第一碳纳米管层以及基底放入氢氧化钠溶液中加热至80摄氏度左右，加热5分钟。
S14：将粘有第一碳纳米管层的过渡层铺设于支撑结构上，除去过渡层，使第一碳纳米管层形成于支撑结构的表面。本实施例中，PMMA过渡层通过丙酮清洗的方法去除。
在步骤S2中，提供一半导体层晶体，通过胶带多次对撕的方法对撕该半导体晶体，使半导体层的厚度越来越薄，直到在胶带上形成一二维的半导体层，然后将该二维的半导体层设置于第一碳纳米管层的表面，除去胶带。本实施例中，硫化钼单晶采用胶带多次对撕，使得到的片状硫化钼的厚度越来越薄，直到得到纳米厚度的硫化钼层。将带有半导体层的胶带覆盖在第一碳纳米管层上，使半导体层与第一碳纳米管层接触，揭下胶带，至少部分半导体层留在第一碳纳米管层的表面。
在步骤S3中，第二碳纳米管可以与第一碳纳米管相同，也可以不同。所述多个第二碳纳米管的排列方向不限，可以交叉排列或平行排列。本实施例中，第二碳纳米管层中的多个第二碳纳米管相互平行，第一碳纳米管的排列方向与第二碳纳米管的排列方向相互垂直。所述第二碳纳米管层通过转移方法转移至半导体层的表面。第二碳纳米管层的转移方法与第一碳纳米管的转移方法相同。
步骤S4具体包括以下步骤：
S41：在扫描电镜（SEM）辅助下选取一组相互交叉的第一碳纳米管和第二碳纳米管，并标识该组第一碳纳米管和第二碳纳米管的坐标位置；
S42：用电子束曝光的方法将该组第一碳纳米管和第二碳纳米管保护，其它第一碳纳米管和第二碳纳米管露出，采用等离子体刻蚀的方法将其它第一碳纳米管和第二碳纳米管刻蚀掉。
步骤S41中，先将支撑结构的长度和宽度上标识坐标刻度，可以为XY坐标；然后在扫描电镜下，选取一组相互交叉的第一碳纳米管和第二碳纳米管，并读出该组相互交叉的第一碳纳米管和第二碳纳米管的坐标值。
步骤S5中，退火步骤在真空环境下进行，退火温度为300~400摄氏度。经过退火处理之后，可以除去纳米异质结构表面的一些杂质，还可以使第一碳纳米管、半导体层以及第二碳纳米管之间的结合力更强。
请参见图4，本发明第三实施例提供一种纳米晶体管200。该纳米晶体管200包括一源极202、一漏极204、一纳米异质结构100及一栅极208。该纳米异质结构100与该源极202和漏极204电连接，该栅极208通过一绝缘层210与该纳米异质结构100、源极202及漏极204绝缘设置。所述纳米异质结构100的具体结构与第一实施例提供的纳米异质结构100相同，在此不再重复做详述。
所述源极202和漏极204均由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。所述源极202和漏极204也可以均为一层导电薄膜，该导电薄膜的厚度为2微米-100微米。本实施例中，所述源极202、漏极204为金属Au和Ti得到的金属复合结构，具体地，所述金属复合结构是由一层金属Au和一层金属Ti组成，Au设置在Ti的表面。所述金属Ti的厚度为2纳米，金属Au的厚度为50纳米。本实施例中，所述源极202与第一碳纳米管102电连接，设置于第一碳纳米管102的一端并贴合于第一碳纳米管102的表面，其中，Ti层设置于第一碳纳米管102表面，Au层设置于Ti层表面；所述漏极204与第二碳纳米管106电连接，并设置于第二碳纳米管106的一端并贴合于第二碳纳米管106的表面，其中，Ti层设置于第二碳纳米管106表面，Au层设置于Ti层表面。
所述栅极208由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。本实施例中，所述栅极208为一层状结构，绝缘层210设置于栅极208的表面，所述源极202、漏极204、以及半导体结构206设置于绝缘层210上，并由栅极208和绝缘层210支撑。
所述纳米晶体管200中，由于第一碳纳米管102和第二碳纳米管106与半导体层104之间形成肖特基结，即三层立体结构110内部形成肖特基结。通过在栅极208上施加偏压来改变所述肖特基结势垒的高度，从而控制源极202和漏极204之间电流的大小。本实施例中，半导体层104的材料为硫化钼，其为n型半导体，源极202和漏极204的偏压一定时，当栅极208的电压为正时，三层立体结构110内部形成肖特基结势垒降低，源极202和漏极204之间导通产生电流，实现开状态，电流的流动路径为从源极202、第一碳纳米管102、三层立体结构110、第二碳纳米管106及漏极204；当栅极208的电压为负时，肖特基结的势垒增高，源极202和漏极204之间几乎没有电流通过，实现关的状态。本实施例所提供的纳米晶体管200的开关比可达106。
请参见图5，本发明第四实施例进一步提供一种纳米晶体管的制备方法，其包括以下步骤：
M1：提供一支撑结构，在所述支撑结构上形成一第一碳纳米管层，该第一碳纳米管层包括多个第一碳纳米管；
M2：在所述第一碳纳米管层上形成一半导体层；
M3：覆盖一第二碳纳米管层于所述半导体层上，该第二碳纳米管层包括多个第二碳纳米管，其中至少一个第二碳纳米管的延伸方向与所述第一碳纳米管的延伸方向相互交叉；
M4：找出一组相互交叉的第一碳纳米管和第二碳纳米管，标识该组第一碳纳米管和第二碳纳米管，分别设置电极与第一碳纳米管和第二碳纳米管接触，然后将其余的第一碳纳米管和第二碳纳米管去除；以及
M5：将上述结构进行退火处理。
本实施例中，所述步骤M1中，支撑结构为一双层结构，下层为一导电层，上层为一绝缘层。所述第一碳纳米管层形成于该绝缘层上。支撑结构中的导电层可以为该纳米晶体管的栅极。
所述步骤M2、M3以及M5分别与第三实施例中提供的步骤S2、S3以及S5相同，在此不再详细描述。
所述步骤M4具体包括以下步骤：
M41：在扫描电镜（SEM）辅助下选取组相互交叉的第一碳纳米管和第二碳纳米管，并标识该组第一碳纳米管和第二碳纳米管的坐标位置；
M42：用电子束曝光的方法在第一碳纳米管的一端形成一第一电极，在第二碳纳米管的一端形成一第二电极，然后将形成有第一电极的第一碳纳米管和形成有第二电极的第二碳纳米管保护，其它第一碳纳米管和第二碳纳米管露出，采用等离子体刻蚀的方法将其它第一碳纳米管和第二碳纳米管刻蚀掉。
请参见图6，本发明第五实施例提供一种光探测器300。该光探测器300包括一纳米异质结构100、一第一电极302、一第二电极304、一电流探测元件306及一电源308。该纳米异质结构100与第一实施例提供的纳米异质结构100结构相同，在此不再作重复详细介绍。该纳米异质结构100包括一第一碳纳米管102、一半导体层104及一第二碳纳米管106。所述第一碳纳米管102与第一电极302电连接。所述第二碳纳米管106与第二电极304电连接。所述第一电极302和第二电极304与电流探测元件306电连接。所述电源308与第一电极302、第二电极304电连接。所述第一电极302、第二电极304、电流探测元件306以及电源308形成一回路结构。本实施例中，第一电极302设置于第一碳纳米管102的一端，第二电极304设置于第二碳纳米管106的一端，电流探测元件306、电源308分别通过导线与第一电极302和第二电极304形成回路。
所述纳米异质结构100中，在第一碳纳米管102和第二碳纳米管106交叉点形成的由第一碳纳米管102、半导体层104和第二碳纳米管106组成一三层立体结构110为光探测器的探测点。
所述第一电极302和第二电极304均由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。所述第一电极302和第二电极304也可以均为一层导电薄膜，该导电薄膜的厚度为2微米-100微米。本实施例中，所述第一电极302和第二电极304分别为由金属Au和Ti得到的金属复合结构，具体地，所述金属复合结构是由金属Au在金属Ti的表面复合而成，金属Ti设置于第一碳纳米管102/第二碳纳米管106的表面，Au设置于金属Ti的表面。所述金属Ti的厚度为2纳米，金属Au的厚度为50纳米。
所述电流探测元件306用于探测第一电极302和第二电极304与电流探测元件306形成的回路中是否有电流流过。电流探测元件306可以为一电流表。所述电源308用于向第一电极302和第二电极304提供电压，即在第一电极302和第二电极304之间形成偏压。
所述光探测器300可以光的定性定量探测。所述光探测器300的定性探测光的工作原理为：打开电源308，在第一电极302源漏极之间施加一定偏压，当没有光照射到光探测器的探测点，即三层立体结构110上时，由于三层立体结构110没有导通，回路中不会有电流通过，电流探测元件306中探测不到电流；当光照射到光探测器的探测点，光照射到半导体层上，半导体层中产生光生载流子，第一碳纳米管102和第二碳纳米管106之间形成的局域电场将光生电子空穴对分开，这样就形成了光生电流，即第一电极302和第二电极304之间实现导通，回路中产生电流，电流探测元件306中探测到电流。即，通过回路中是否有电流产生来探测光源。
所述光探测器300的定量探测光的工作原理为：打开电源308，用已知的、不同强度的光依次照射探测点，读出电流探测元件306中探测到的电流值，一个强度的光对应一个电流值，并将不同强度的光对应的不同的电流值作相应的曲线图，即可标识出不同强度的光对应形成电流的标准曲线。当采用未知强度的光照射探测点时，根据电流探测元件306中探测到的电流值，即可从该标准曲线上读出光的强度值。
本发明所提供的光探测器中，由于纳米异质结独特的结构设计，电场主要局域在两根碳纳米管的交界处，只有当光照射在两根碳纳米管交界的结区附近，才能产生有效的光电流。因此这种纳米垂直异质结可以实现空间高分辨的光探测。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米异质结构，其包括一第一碳纳米管，该第一碳纳米管朝一第一方向延伸；一半导体层，该半导体层的厚度为1~200纳米；一第二碳纳米管，该第二碳纳米管设置于所述半导体层的表面，使过半导体层设置于第一碳纳米管和第二碳纳米管之间，该第二碳纳米管朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夹角，该夹角大于0度小于等于90度。
2.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述第一碳纳米管或第二碳纳米管为金属型碳纳米管。
3.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述第一碳纳米管或第二碳纳米管为单壁碳纳米管。
4.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述第一碳纳米管或第二碳纳米管的直径为1纳米～10纳米。
5.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管的交叉出与半导体层形成一三层立体结构，该三层立体结构的横截面面积在1nm2~100nm2之间。
6.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述半导体层的厚度为1纳米~10纳米。
7.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述半导体层为无机化合物半导体、元素半导体或有机半导体。
8.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述半导体材料为砷化镓、碳化硅、多晶硅、单晶硅、萘或硫化钼。
9.如权利要求1所述的纳米异质结构，其特征在于，所述第一方向和第二方向之间的夹角为大于60度小于等于90度。
10.如权利要求9所述的纳米异质结构，其特征在于，所述第一方向和第二方向之间的夹角等于90度。
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