CN115448251B - 纳米线制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米线制备方法，包括以下步骤：在块状材料上沉积长条状的第一保护层(S1)，用聚焦离子束在块状材料上刻蚀出楔形槽，形成待加工薄片(S2)，用聚焦离子束对待加工薄片进行刻蚀加工，形成减薄薄片(S3)，在减薄薄片彼此相对的两个面上沉积第二保护层(S4)，将沉积了第二保护层的减薄薄片转移到基片上(S5)，用聚焦离子束对基片上的减薄薄片进行刻蚀加工，形成纳米线(S6)。由于聚焦离子束刻蚀是物理方法，本发明的制备方法适用于任何材料，能制备出高长度直径比例的纳米线。

Description

纳米线制备方法

技术领域

本发明涉及纳米线制备领域，具体涉及纳米材料学材料的制备技术。

背景技术

随着半导体工业化程度的不断提高，集成程度更高的电子器件成为当今信息技术所追求的核心目标，这就对材料的小型化提出了更高的要求，低维材料顺理成章成为半导体光电子器件的发展重点。

低维材料具有巨大的表面积体积比，在纳米级别的尺度下，大量处于表面的具有很高活性的原子就会使材料表现出与宏观大不相同的物理化学性质；另外，当材料尺寸小到一定程度时，粒子的费米能级附近的能级发生分裂，变为离散态，从而光学、电学、热学、磁学等性质发生显著变化。这些效应在纳米电子器件、光电子器件、电化学、电通信、机电、传感器、探测器等领域有广泛研究和应用。

纳米线是典型的一维纳米材料，具备上述的种种物理效应，另外还具有独特的各向异性，可以极大程度上提升电子在轴向上的传输速度，因而广泛应用于各种光电元件以及电子学器件。

目前纳米线的获得通常的方法包括水热法，溶剂热法，分子束外延法，化学气相沉积法等。这些方法可以获得高纯度、质量上乘的纳米线，但是这些材料生长方法并非适用于所有材料，有些材料无法利用前述的生长方法来得到纳米线。然而对于发展迅速的纳米材料学研究领域，研究各种不同材料受限体系下的特性成为迫切需要。

发明内容

目前纳米线的获得通常采用水热法，溶剂热法等化学生长方法来获得。利用这些化学生长方法来制备纳米线等纳米材料，需要具备丰富的经验，充分的条件摸索，这个过程耗时，耗力。而且，化学方法生长纳米线等纳米材料的方法并非普适于所有材料，有不少材料的纳米材料都不能由化学合成方法来得到。这限制了纳米材料学广泛的研究。

本发明的发明人致力于开发一种纳米线制备方法，不同于化学制备材料的方法，该方法属于物理制备，适用材料种类广泛。为此，本专利提出一种采用聚焦离子束刻蚀技术，纯物理方法制备纳米线的工艺，该工艺适用于几乎所有材料的纳米线制备。

聚焦离子束刻蚀技术是一种精确度可以到纳米量级的刻蚀技术，它广泛应用于透射电镜样品的制备、周期性微纳米结构的制备、材料的三维重构、微结构装置的制备等各个领域。从聚焦离子束刻蚀技术的特点上看，是可以完成纳米结构加工的，目前也有许多纳米材料加工的先例，但是对于加工具有一定长度的纳米线，却有困难。

从块材到纳米线，也就是从三维到一维，其中需先经过二维也就是薄膜的制备。二维材料薄膜的制备类似于透射电镜样品制备，已经是非常成熟的工艺。从二维薄膜到一维纳米线的刻蚀阶段，如果纳米线的长度与直径的比例超过100，在刻蚀到较细时材料缺少支撑，容易变形、扭曲，最终还没有刻蚀到目标尺寸时就不能再进行下去了。

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其提供一种纳米线制备方法，用物理方法能够制备高长度直径比例，例如长度与直径的比例达到或超过100的纳米线。

解决技术问题的技术手段

本发明提供一种纳米线制备方法，包括以下步骤：第一保护层形成步骤，用聚焦离子束诱发气相沉积，在用于制备纳米线的块状材料上沉积长条状的第一保护层作为刻蚀时的保护，其中，所述长条状的第一保护层的长度方向为第一方向(X)；薄片形成步骤，在所述块状材料的所述长条状的第一保护层的宽度方向两侧，用聚焦离子束刻蚀出规定深度的槽，形成待加工薄片，其中所述宽度方向为与所述第一方向垂直的第二方向(Y)，所述待加工薄片为大致长方体形状，其长度方向为所述第一方向，厚度方向为所述第二方向，高度方向为与所述第一方向和所述第二方向均垂直的第三方向(Z)；薄片减薄步骤，用聚焦离子束刻蚀对所述待加工薄片进行减薄加工，直到其第二方向的尺寸即厚度达到所述纳米线所要求的尺寸，形成减薄薄片；第二保护层形成步骤，在所述减薄薄片的在所述第二方向上彼此相对的两个面，分别沉积第二保护层；薄片转移步骤，将沉积了第二保护层的减薄薄片转移到基片上；以及纳米线形成步骤，用聚焦离子束刻蚀对放置在所述基片上的所述减薄薄片进行刻蚀加工，去除包括所述第一保护层在内的所述减薄薄片的一部分，直到其在所述第三方向上的尺寸达到所述纳米线所要求的尺寸，形成纳米线。

在上述纳米线制备方法，优选在所述薄片形成步骤中，采用束流工作电压为30kV、工作束流为5nA-20nA的聚焦离子束，刻蚀出所述槽并形成待加工薄片，在所述薄片减薄步骤和所述纳米线形成步骤中，采用束流工作电压为30kV、工作束流为0.4nA-4nA的聚焦离子束，进行刻蚀来减薄所述待加工薄片或形成所述纳米线。

在上述纳米线制备方法，优选在所述第一保护层形成步骤中，以C₉H₁₆Pt气体为沉积源，采用束流工作电压为30kV、工作束流为0.3nA-1nA的聚焦离子束进行铂薄膜沉积，形成铂沉积层作为所述第一保护层。

在上述纳米线制备方法，优选所述长条状的第一保护层的长度比要制备的所述纳米线的长度长4μm以上，所述长条状的第一保护层的宽度为1μm以上，所述槽的深度为10μm以上。

在上述纳米线制备方法，优选在所述第二保护层形成步骤中，以C₁₀H₈气体为沉积源，在所述减薄薄片的在所述第二方向上彼此相对的两个面先用电子束沉积碳，然后用离子束沉积碳，来形成碳沉积层作为所述第二保护层。

在上述纳米线制备方法，优选在所述两个面中的每个面沉积的碳沉积层的厚度为400nm至1μm。

在上述纳米线制备方法，优选在所述薄片转移步骤中，将减薄薄片以平躺的姿态放置于立放基片或平放基片上。

在上述纳米线制备方法，优选在所述薄片转移步骤中，先用离子束刻蚀切断沉积了第二保护层的所述减薄薄片与所述块状材料的连接，在转移到所述基片上之后，通过聚焦离子束沉积铂将所述减薄薄片固定在所述基片上。

在上述纳米线制备方法，优选还包括纳米线连接步骤，在所形成的纳米线的长度方向两端沉积铂，通过所沉积的铂将纳米线与基片上的电极连接。

有益效果

1.通过本专利的制备方法能制备出高长度直径比例的纳米线。

2.由于聚焦离子束刻蚀技术是物理方法，该工艺对于任何块体材料都适用。

3.在制备过程中形成的用于保护作用的碳沉积层并不具有导电性，所以制备出的纳米线可用于电子学领域。

附图说明

图1是表示本发明的纳米线制备方法的框图；

图2是表示聚焦离子束沉积铂的示意图；

图3是表示聚焦离子束刻蚀出楔形槽，形成待加工薄片的示意图；

图4是表示聚焦离子束刻蚀减薄样品至纳米线宽度的示意图；

图5是在减薄薄片两侧用聚焦离子束沉积碳保护层的示意图；

图6A和图6B是将减薄薄片样品转移到目标基片上的示意图；

图7A和图7B是将样品刻蚀加工成纳米线的示意图；

图8是在FeGe样品上沉积了长条状的铂保护层的SEM照片；

图9是在沉积的铂保护层两侧刻蚀出楔形槽的SEM照片；

图10是薄片减薄后的FeGe样品的SEM照片；

图11是薄片底部被刻蚀透了的FeGe样品的SEM照片；

图12是将薄片减薄到纳米线宽度的FeGe样品的SEM照片；

图13是在薄片两侧沉积了碳保护层的FeGe样品的SEM照片；

图14是将FeGe薄片转移到了目标基片上后进行了刻蚀加工，得到最终的纳米线的状态的SEM照片。

具体实施方式

(聚焦离子束系统构成)

能够用于本发明的纳米线制备方法的聚焦离子束系统大体上包括三个主要部分：离子源、离子束聚焦/扫描系统和样品台。离子源通常位于整个系统的顶端，离子经过高电压抽取、加速并通过聚焦/扫描系统中的静电透镜、四极偏转透镜以及八极偏转透镜，形成很小的离子束斑(可达到5nm)，轰击位于样品台上的样品。

为了使离子束在样品表面进行扫描，聚焦离子束系统中配备了扫描线圈，以实现使离子束在样品表面的行、帧扫描。

聚焦离子束系统还配备有用于气体辅助刻蚀和薄膜淀积的辅助气体喷头，在需要的时候，将辅助气体喷到离子束轰击区域使其发生化学反应，从而实现刻蚀速率的增加和薄膜的选择淀积。

整个系统工作在例如1x10^-4Pa的高真空条件下。

聚焦离子束技术的基本功能包括：刻蚀或增强刻蚀；淀积导电膜或绝缘膜；SIM成像；离子注入等。聚焦离子束系统的主要参数包括：束流工作电压，例如为30KV；工作束流，通常可在0.1PA-20nA的范围内调节。

(基于聚焦离子束刻蚀技术的纳米线制备方法)

图1是表示本发明的纳米线制备方法的框图。下面参照图1说明本发明的纳米线制备方法。

如图1所示，本发明的纳米线制备方法包括以下步骤：第一保护层形成步骤，用聚焦离子束诱发气相沉积，在用于制备纳米线的块状材料上沉积长条状的第一保护层作为刻蚀时的保护，其中，所述长条状的第一保护层的长度方向为第一方向(X)；薄片形成步骤，在所述块状材料的所述长条状的第一保护层的宽度方向两侧，用聚焦离子束刻蚀出规定深度的槽，形成待加工薄片，其中所述宽度方向为与所述第一方向垂直的第二方向(Y)，所述薄片为大致长方体形状，其长度方向为所述第一方向，厚度方向为所述第二方向，高度方向为与所述第一方向和所述第二方向均垂直的第三方向(Z)；薄片减薄步骤，用聚焦离子束刻蚀对所述待加工薄片进行减薄加工，直到其第二方向的尺寸即厚度达到所述纳米线所要求的尺寸，形成减薄薄片；第二保护层形成步骤，在所述减薄薄片的在所述第二方向上彼此相对的两个面分别沉积第二保护层；薄片转移步骤，将沉积了第二保护层的减薄薄片转移到需要的基片上；以及纳米线形成步骤，用聚焦离子束刻蚀对放置在所述基片上的所述减薄薄片进行刻蚀加工，去除包括所述第一保护层在内的所述减薄薄片的一部分，直到其在所述第三方向上的尺寸达到所述纳米线所要求的尺寸，形成纳米线。

下面参照图2至图7B对本发明的纳米线制备方法的实施方式进行更详细的说明。

图2是表示聚焦离子束沉积铂的示意图，示出的是在要制备纳米线的块状材料的一个表面上形成了铂保护层(第一保护层)的状态。图2中X方向是要制成的纳米线的长度方向，也是长条状的铂保护层的长度方向，图2中的Y方向为长条状的铂保护层的宽度方向，Z方向为块状材料的厚度方向。在图2至图7B中，坐标系是固定在块状材料或从块状材料加工而成的薄片上的。在图2至图5中Z轴是朝向上方的，而在图6A至图7B中，由于薄片转动了90度，所以变成了Z轴朝向左侧。

用聚焦离子束进行刻蚀，刻蚀形状由离子束的扫描范围决定，通常刻蚀的整个过程无需掩模和光刻。然而，聚焦离子束在刻蚀的同时伴随着溅射现象，并且随着工作束流的增大，束的稳定性更难控制，会导致对被加工样品造成一定的损伤。本发明要制备的纳米线的尺寸非常小，且制备纳米线所需要的刻蚀量很大，为了保护要制备纳米线的部位使其免受损伤，沉积长条状的铂层作为刻蚀时的保护。沉积铂层作为保护层，是因为利用聚焦离子束沉积铂是比较成熟的技术。然而，第一保护层的材质不限于铂，只要是通过聚焦离子束气相沉积能够形成于块状材料上并具有保护作用，第一保护层可以采用其他材料。

优选的是，在所述第一保护层形成步骤中，以化学式为C₉H₁₆Pt的有机气体为沉积源，采用束流工作电压为30kV、工作束流为0.3nA-1nA的聚焦离子束进行薄膜沉积，形成铂沉积层。

聚焦离子束沉积铂的过程是聚焦离子束诱发的有机化学气相淀积，由于离子束的轰击，高能离子通过一系列碰撞，把能量传递给金属有机气体分子。这些动能被转化为分子内的势能，当势能远大于有机分子的键合能时，键发生断裂，有机基团分解，气态分解产物被真空系统抽走，固态物质被淀积在离子轰击位置。

在沉积铂薄膜时，选择较小的束流形成的铂薄膜具有较好的形貌，但是小束流下薄膜的生长速率较低。大束流下，薄膜的形貌不够好，而且因发生溅射刻蚀，薄膜的厚度与体积都有较大损失，但是大束流下薄膜生长速率较高。因此，作为优选条件，在工作束流为0.3nA-1nA的范围铂薄膜沉积的效果较好。

优选的是，所述长条状的铂保护层的长度比要制备的所述纳米线的长度长4μm以上，所述长条状铂层的宽度为1μm以上。这是因为，在后续的一些加工步骤中形成的薄片的长度和厚度大致为长条状的铂保护层的长度和宽度，为了给后续的各加工步骤留出足够的加工余量以及确保加工中样品的机械强度，需要将铂保护层形成为适当的尺寸。

图3是表示聚焦离子束刻蚀出楔形槽，形成待加工薄片的示意图，示出的是在要制备纳米线的块状材料中已刻蚀出楔形槽并形成了待加工薄片的状态。图3中X方向是要制成的纳米线的长度方向，图3中的Y方向为待加工薄片的厚度方向，Z方向为待加工薄片的高度方向。刻蚀出楔形槽是为了在待加工薄片的厚度方向两侧形成一定的空间，以便于进行后续的减薄工序和沉积碳保护层的工序。然而，在待加工薄片的厚度方向两侧形成的空间，其形状不限于楔形槽，只要能够确保一定大小的空间即可。例如，与楔形槽的斜边对应的部位可以是曲线状、阶梯状或不规则形状(如图9所示)。

优选的是楔形槽的深度为10μm以上。之所以使楔形槽具有一定深度，是因为在后续步骤中要将待加工薄片减薄至例如100nm厚，为防止用离子束进行减薄的过程中从底部产生的溅射，槽的深度需要深一些。更优选的是槽的深度为15μm以上。

优选的是，在所述薄片形成步骤中，采用束流工作电压为30kV、工作束流为5nA-20nA的聚焦离子束，刻蚀出楔形槽并形成待加工薄片。在用聚焦离子束进行刻蚀的工艺中，随着聚焦离子束的束流增大刻蚀速率相应地增大。另一方面，随着聚焦离子束的束流增大刻蚀的不平整性也随之增大。由于刻蚀出楔形槽并形成待加工薄片的加工是一道“粗加工”工序，加工量较大但对平整性的要求不高，故采用了5nA-20nA这样的较大工作束流，能够实现较大的刻蚀速率，从而缩短加工时间。

图4是表示聚焦离子束刻蚀减薄样品至纳米线宽度的示意图，示出的是在要制备纳米线的块状材料中形成了厚度为纳米线宽度的减薄薄片的状态。图4中X方向是要制成的纳米线的长度方向，图4中的Y方向为薄片的厚度方向，Z方向为薄片的高度方向。如图4所示，沉积在块状材料上的铂保护层以及其下方一定高度的块状材料共同形成了被减薄至了纳米线宽度的减薄薄片。

优选的是，在所述薄片减薄步骤中，采用束流工作电压为30kV、工作束流为0.4nA-4nA的聚焦离子束，进行刻蚀来减薄所述待加工薄片。在用聚焦离子束进行刻蚀的工艺中，随着聚焦离子束的束流减小刻蚀速率相应地减小。另一方面，随着聚焦离子束的束流减小刻蚀的不平整性也随之减小。由于将待加工薄片减薄至纳米线宽度的加工是一道“精加工”工序，加工量较小但对平整性的要求较高，故采用了0.4nA-4nA这样的较小工作束流，能够实现较高的表面平整性。

图5是在减薄薄片两侧用聚焦离子束沉积碳保护层(第二保护层)的示意图，示出的是在减薄薄片的两侧沉积了碳保护层的状态。图5中X方向是要制成的纳米线的长度方向，图5中的Y方向为薄片的厚度方向，Z方向为薄片的高度方向。如图5所示，在由铂保护层和其下方一定高度的块状材料共同形成的减薄薄片的两侧沉积了碳保护层。

沉积碳保护层，加强了薄片的刚性，使得在接下来的刻蚀环节避免了材料的变形，使得能顺利加工出具有高长度直径比的纳米线。然而，第二保护层的材质不限于碳，只要是通过聚焦离子束气相沉积能够形成于块状材料上并具有保护作用，第二保护层可以采用其他材料。

优选的是，在所述碳保护层形成步骤中，以C₁₀H₈等有机气体为沉积源，在所述减薄薄片的在所述第二方向上彼此相对的两个面用电子束沉积碳保护层，然后用离子束沉积碳保护层。沉积碳保护层的目的是对薄片进行加强，防止在接下来将薄片加工成纳米线时发生变形。以C₁₀H₈等有机气体为沉积源，所形成的碳保护层层并不具有导电性，所以制备的纳米线可用于电子学领域。在沉积的时候先用电子束是因为与离子束比较，电子束对样品是基本没有损伤的。但是因为电子束能量小，电子束沉积的碳层并不致密，所以先用电子束沉积碳，再用离子束沉积碳，能够将对样品的损伤减小到最小程度，并且最终形成致密的碳保护层。

形成在所述减薄薄片的彼此相对的两个面上的碳保护层，可以是两侧的碳保护层具有大致相同的厚度，也可以是各自具有不同的厚度，只要能够起到对薄片进行加强的作用即可。由于碳保护层的作用是进行机械增强和在后续的加工中保护薄片，需要具有一定的厚度，例如100nm以上的厚度。优选的是，使所述两个面中的每个面的碳保护层厚度为大致400nm至1μm。

图6A和图6B是将减薄薄片样品转移到目标基片上的示意图，示出的是在两侧沉积了碳保护层的减薄薄片被放置在基片上的状态。其中，图6A表示将减薄薄片样品转移到立放基片上的状态，图6B表示将减薄薄片样品转移到平放基片上的状态，图6A和图6B中X方向是要制成的纳米线的长度方向，Y方向为薄片的厚度方向，Z方向为薄片的高度方向。将图6A和图6B与图5进行比较后可知，在图5所示的碳保护层形成步骤中，薄片是直立的姿态，而在图6A和图6B中，薄片是平躺的姿态。将薄片以平躺的姿态放置于基片(芯片)上，是为了便于在后续的加工步骤中对薄片进行刻蚀，来最终形成纳米线。将样品转移到立放基片上还是平放基片上，可以根据用户的实际需要来选择。如图6A所示，减薄薄片样品的Z方向大小的大致一半被放置在了立放基片上，这是为了使经后续的刻蚀加工后最终形成的纳米线位于立放基片的边缘(如图7A所示的那样)。

这里省略了图示，在将图5所示的减薄薄片样品转移到目标基片(芯片)上之前，首先将两侧沉积了碳保护层的减薄薄片与块状材料的其他部分分离，这是通过聚焦离子束刻蚀进行的。将减薄薄片样品转移到目标基片上的操作，可以借助于聚焦离子束系统中的装置来进行，具体的操作将在实施例部分进行说明。在转移到所述基片上之后，通过聚焦离子束沉积铂将所述减薄薄片固定在所述基片上。

图7A和图7B是将样品刻蚀加工成纳米线的示意图，示出的是对放置在基片上的减薄薄片进行刻蚀后得到了纳米线的状态。其中，图7A表示纳米线位于立放基片上的状态，图7B表示纳米线位于平放基片上的状态，图7A和图7B中X方向是纳米线的长度方向，Y方向为刻蚀加工前的薄片的厚度方向，Z方向为刻蚀加工前的薄片的高度方向。在刻蚀加工时，聚焦离子束是从薄片的厚度方向(Y方向)，即图7A和图7B的上方照射的，经刻蚀加工后得到纳米线，铂保护层已经被完全除去。如图7A和图7B所示，经刻蚀加工后得到的纳米线，位于Y方向中间位置的部分是由块状材料构成的，在Y方向上位于块状材料两侧的是碳保护层。图7A所示的经刻蚀加工后得到的纳米线位于立放基片的边缘，而图7B所示的经刻蚀加工后得到的纳米线位于平放基片表面上的非边缘位置。将最终得到的纳米线置于基片上的哪个位置，可以根据用户的实际需要来选择。

优选的是，还包括纳米线连接步骤，在所形成的纳米线的长度方向两端沉积铂，通过所沉积的铂将纳米线与基片上的电极连接。

(实施例)

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行说明。

以制备长10μm、宽100nm、厚100nm的FeGe纳米条带为例，说明制备纳米线的方法与技术条件，聚焦离子束设备采用的是FEI公司的FEI Helios G4 UX型号。

首先说明铂保护层形成步骤。该步骤利用的是FEI Helios G4 UX的聚焦离职束辅助铂沉积功能，沉积源采用的是化学式为C₉H₁₆Pt的有机气体，淀积铂所用的时间为数分钟，在FeGe块状材料样品表面沉积铂，用来保护所沉积的铂下方的样品。沉积的长条状的铂保护层，尺寸为14μm×1μm，所用聚焦离子束能量为，工作电压30kV，工作束流0.44nA。图8是在FeGe样品上沉积了长条状的铂保护层的SEM照片。

这里，将铂保护层长度取为14μm，比要制备的纳米条带的程度长4μm。将铂保护层宽度取为1μm，远大于要制备的纳米条带的宽度。这是因为，在后续的一些加工步骤中形成的薄片的长度和厚度大致为长条状的铂保护层的长度和宽度，为了给后续的各加工步骤留出足够的加工余量以及确保加工中样品的机械强度，将铂保护层形成为较大的尺寸。

下面说明薄片形成步骤。在FeGe块状材料的长条状铂层的宽度方向两侧，使用FEIHelios G4 UX的聚焦离子束刻蚀中的Regular Cross Section Pattern功能进行刻蚀，选择20μm×15μm的区域，离子束能量为工作电压30kV、工作束流20nA，刻蚀出楔形槽。由于后期需要将FeGe薄片剪薄至100nm厚，为防止用离子束刻蚀进行减薄的过程中从底部产生的溅射，槽的深度需要深一些，这里选择刻蚀深度为大致15μm。

图9是在沉积的铂保护层两侧刻蚀出楔形槽的SEM照片。如图9所示，在铂保护层两侧刻蚀出楔形槽，在铂保护层的下方形成了直立状的FeGe块状材料的待加工薄片。刻蚀出楔形槽是为了在待加工薄片的厚度方向两侧形成一定的空间，以便于进行后续的减薄工序和沉积碳保护层的工序。然而，在待加工薄片的厚度方向两侧形成的空间，其形状不限于楔形槽，只要能够确保一定大小的空间即可。如图9所示，这里与楔形槽的斜边对应的部位是不规则形状。

下面说明薄片减薄步骤。在本实施例中，薄片减薄步骤包括以下三个步骤。

(a)初步减薄

使用FEI Helios G4 UX的聚焦离子束刻蚀中的Cleaning Cross SectionPattern功能，选择20μm×2μm的区域，刻蚀深度选择15μm。刻蚀的深度，也可以理解成刻蚀的时间，一般是按照刻蚀Si的速度来设定的，这里的15μm表示如果刻蚀硅的话，就能刻蚀15μm。离子束能量为工作电压30kV、工作束流2.4nA的离子束对薄片边缘进行修整。图10是薄片减薄后的FeGe样品的SEM照片。如图10所示，刻蚀完成后的样品宽度与沉积的铂的宽度一致。

(b)底部打穿

使用FEI Helios G4 UX的聚焦离子束刻蚀中的Rectangle Pattern功能，选择18μm×5μm的区域，离子束能量为工作电压30kV、工作束流2.4nA将FeGe薄片底部打穿，在刻蚀时可边刻蚀边观察，直到完全打穿。图11是薄片底部被刻蚀透了的FeGe样品的SEM照片。薄片最终是要取出来转移到专用基片上的，所以要把底部掏空，这里留下来的薄片的尺寸是15μm×5μm。需要说明的是，在图11中留下来的薄片看上去高度较小，是因为图11与图10观察的角度不同。

(c)再次减薄

使用FEI Helios G4 UX的聚焦离子束刻蚀中的Cleaning Cross SectionPattern功能，选择20μm×2μm的区域，刻蚀深度选择15μm，离子束能量为工作电压30kV、工作束流0.44nA的离子束对薄片进行减薄。采用逐步推进的方法，每次刻蚀完成后，将Cleaning Cross Section Pattern选择的框图向样品推进100nm，直到将FeGe薄片的厚度加工成纳米条带所需要的宽度数值，即100nm。图12是将薄片减薄到纳米线宽度的FeGe样品的SEM照片。

下面说明碳保护层形成步骤。聚焦离子束设备FEI Helios G4 UX是双束系统，能够利用电子束和离子束进行刻蚀和沉积。这里，沉积源采用的是C₁₀H₈，首先用工作电压2kV、工作束流0.2nA的电子束，将FeGe薄片两侧用电子束沉积碳保护层。然后用工作电压30kV、工作束流41pA的离子束沉积碳保护层。最终形成的碳保护层，一侧厚度约为400nm，另一侧保护层沉积厚度为1μm左右。图13是在薄片两侧沉积了碳保护层的FeGe样品的SEM照片。

下面说明薄片转移步骤。在继续用离子束刻蚀目前的FeGe纳米片将其加工成纳米线之前，将样品转移到专用基片上，具体的操作如下。

当加工步骤进行到如图5所示的步骤时，为了进一步将片状样品切削至纳米线，需要将样品翻转90度，翻转90度后的状态如图6A和图6B所示。FEI Helios G4 UX设备包括一个由位移台组成的可移动的机械装置，前端安装的是钨探针，能够让钨探针移动来靠近样品，做一些操作。具体的做法是使用FEI Helios G4 UX设备的自带的可移动的钨探针(移动精度为10nm)靠近样品，在包含探针的一部分和样品的一部分的扫描区域中用离子束沉积铂(30kV，41pA)将钨探针与样品连接；用离子束刻蚀功能(30kV，90pA)，切断制备好的片状样品与材料母体的连接，通过移动探针来将片状样品取出。

目标基片放置在45度样品台上，然后转样品至45度角，相当于基片转了90度，这时将提取出来的样品薄片用聚焦离子束沉积铂固定在基片上。具体而言，提取出的连接在探针上的样品，移动到需要放置的基片上方，细致移动探针，让样品刚好接触到基片，然后让扫描框覆盖样品两个接触的角与周围部分基片，通过离子束扫描沉积铂，将样品与基片连接在一起，然后用离子束打断探针与样品的连接，移走探针，样品便转移到基片上了。

最后说明纳米线形成步骤。使用FEI Helios G4 UX的聚焦离子束刻蚀中的Cleaning Cross Section Pattern功能，从薄片的厚度方向，即图7A和图7B的上方照射聚焦离子束对薄片进行刻蚀。选择10μm×2μm的区域，刻蚀深度选择15μm，用离子束能量为工作电压30kV、工作束流0.44nA的离子束对样品进行刻蚀。采用逐步推进的方法，每次刻蚀完成后，将Cleaning Cross Section Pattern选择的框图向样品推进100nm，直到将FeGe薄片的厚度加工成截面积100nm×100nm的纳米条。

然后再沉积铂将样品连接到基片上的电极，纳米片的两端与基片上的两个电极相连，使得可以通过基片上的电极对样品施加电信号。

图14是将FeGe薄片转移到了立放目标基片上后进行了刻蚀加工，得到最终的纳米线的状态的SEM照片，是从图7A的水平方向(Z方向)拍摄的。在图14中，下半部分是基片，中间颜色浅的矩形是样品，样品的长度方向两端是沉积的铂。基片上本来有4个电极，这里沉积的铂是用作导线来使用的，与其中两个电极连接。基片上的电极可以连接到仪器，例如电流源，可以通过基片上的电极对样品施加电信号。

碳保护层被留在最终形成的纳米线(纳米条)上了，因为沉积的碳不导电，所以不影响电测量。碳保护层只是在纳米线的两侧，在进行透射电镜观察时，只要调整好纳米线相对于电镜的放置方向，也不影响透射电镜的观察。

如以上所说明的那样，通过本专利的制备方法能制备出高长度直径比例的纳米线。由于聚焦离子束刻蚀技术是物理方法，该工艺对于任何块体材料都适用。在制备过程中形成的用于保护作用的碳沉积层并不具有导电性，所以制备出的纳米线可用于电子学领域。

Claims (9)

1.一种纳米线制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一保护层形成步骤，用聚焦离子束诱发气相沉积，在用于制备纳米线的块状材料上沉积长条状的第一保护层作为刻蚀时的保护，其中，所述长条状的第一保护层的长度方向为第一方向(X)；

薄片形成步骤，在所述块状材料的所述长条状的第一保护层的宽度方向两侧，用聚焦离子束刻蚀出规定深度的槽，形成待加工薄片，其中所述宽度方向为与所述第一方向垂直的第二方向(Y)，所述待加工薄片为大致长方体形状，其长度方向为所述第一方向，厚度方向为所述第二方向，高度方向为与所述第一方向和所述第二方向均垂直的第三方向(Z)；

薄片减薄步骤，用聚焦离子束刻蚀对所述待加工薄片进行减薄加工，直到其第二方向的尺寸即厚度达到所述纳米线所要求的尺寸，形成减薄薄片；

第二保护层形成步骤，在所述减薄薄片的在所述第二方向上彼此相对的两个面，分别沉积第二保护层；

薄片转移步骤，将沉积了第二保护层的减薄薄片转移到基片上；以及

纳米线形成步骤，用聚焦离子束刻蚀对放置在所述基片上的所述减薄薄片进行刻蚀加工，去除包括所述第一保护层在内的所述减薄薄片的一部分，直到其在所述第三方向上的尺寸达到所述纳米线所要求的尺寸，形成纳米线。

2.如权利要求1所述的纳米线制备方法，其特征在于，

在所述薄片形成步骤中，采用束流工作电压为30kV、工作束流为5nA-20nA的聚焦离子束，刻蚀出所述槽并形成待加工薄片，

在所述薄片减薄步骤和所述纳米线形成步骤中，采用束流工作电压为30kV、工作束流为0.4nA-4nA的聚焦离子束，进行刻蚀来减薄所述待加工薄片或形成所述纳米线。

3.如权利要求1或2所述的纳米线制备方法，其特征在于，

在所述第一保护层形成步骤中，以C₉H₁₆Pt气体为沉积源，采用束流工作电压为30kV、工作束流为0.3nA-1nA的聚焦离子束进行铂薄膜沉积，形成铂沉积层作为所述第一保护层。

4.如权利要求1或2所述的纳米线制备方法，其特征在于，

所述长条状的第一保护层的长度比要制备的所述纳米线的长度长4μm以上，所述长条状的第一保护层的宽度为1μm以上，所述槽的深度为10μm以上。

5.如权利要求1或2所述的纳米线制备方法，其特征在于，

在所述第二保护层形成步骤中，以C₁₀H₈气体为沉积源，在所述减薄薄片的在所述第二方向上彼此相对的两个面先用电子束沉积碳，然后用离子束沉积碳，来形成碳沉积层作为所述第二保护层。

6.如权利要求5所述的纳米线制备方法，其特征在于，

在所述两个面中的每个面沉积的碳沉积层的厚度为400nm至1μm。

7.如权利要求1或2所述的纳米线制备方法，其特征在于，

在所述薄片转移步骤中，将减薄薄片以平躺的姿态放置于立放基片或平放基片上。

8.如权利要求1或2所述的纳米线制备方法，其特征在于，

在所述薄片转移步骤中，先用离子束刻蚀切断沉积了第二保护层的所述减薄薄片与所述块状材料的连接，在转移到所述基片上之后，通过聚焦离子束沉积铂将所述减薄薄片固定在所述基片上。

9.如权利要求1或2所述的纳米线制备方法，其特征在于，

还包括纳米线连接步骤，在所形成的纳米线的长度方向两端沉积铂，通过所沉积的铂将纳米线与基片上的电极连接。