RU2648329C2 - Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния - Google Patents

Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния Download PDF

Info

Publication number
RU2648329C2
RU2648329C2 RU2016123529A RU2016123529A RU2648329C2 RU 2648329 C2 RU2648329 C2 RU 2648329C2 RU 2016123529 A RU2016123529 A RU 2016123529A RU 2016123529 A RU2016123529 A RU 2016123529A RU 2648329 C2 RU2648329 C2 RU 2648329C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solution
catalyst
minutes
anodized
nanocrystals
Prior art date
Application number
RU2016123529A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2016123529A (ru
Inventor
Валерий Александрович Небольсин
Александр Игоревич Дунаев
Борис Анатольевич Спиридонов
Екатерина Витальевна Богданович
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority to RU2016123529A priority Critical patent/RU2648329C2/ru
Publication of RU2016123529A publication Critical patent/RU2016123529A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2648329C2 publication Critical patent/RU2648329C2/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/04—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
    • C30B11/08—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt every component of the crystal composition being added during the crystallisation
    • C30B11/12—Vaporous components, e.g. vapour-liquid-solid-growth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0014—Array or network of similar nanostructural elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/605—Products containing multiple oriented crystallites, e.g. columnar crystallites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/62—Whiskers or needles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02603—Nanowires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02606—Nanotubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
    • H01L21/02645—Seed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02653—Vapour-liquid-solid growth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0657—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body
    • H01L29/0665—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body the shape of the body defining a nanostructure
    • H01L29/0669—Nanowires or nanotubes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/762—Nanowire or quantum wire, i.e. axially elongated structure having two dimensions of 100 nm or less
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/813—Of specified inorganic semiconductor composition, e.g. periodic table group IV-VI compositions
    • Y10S977/814—Group IV based elements and compounds, e.g. CxSiyGez, porous silicon
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения нитевидных нанокристаллов Si (ННК) включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар → капельная жидкость → кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину Si наносят пленку Ti и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла, выбираемого из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Me(NO3)x, где Me - Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт. Изобретение обеспечивает возможность получения ННК с диаметрами от 10 до 100 нм, равномерно распределенных по поверхности подложки и имеющих малый разбаланс поперечных размеров. 6 пр.

Description

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноструктурированных материалов, предназначено для выращивания на кремниевых подложках по схеме пар → капельная жидкость → кристалл (ПЖК) ННК Si с диаметрами от 10 до 100 нм, равномерно распределенных по поверхности подложки и имеющих малый разбаланс поперечных размеров.
В настоящее время известен способ создания регулярно-упорядоченных систем наноразмерных ННК, использующий в своей основе принцип задания одинаковых размеров частиц металла-катализатора. В [Gudiksen M.S., Lieber С.М. Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires // J. Am. Chem. Soc.; (Communication); 2000; 122(36); pp. 8801-8802] в процессе пиролиза моносилана (SiH4+10% Не) с малым разбросом диаметров были выращены ННК с использованием коллоидных частиц Au на поверхности Si-SiO2. Для этого на гладкую подложку из Si-SiO2 осаждали «нанодробинки» Au диаметром 8,4±0,9 нм из раствора коллоидного золота. Затем подложку с осажденными частицами Au помещали в печь. Поперечные размеры нанокристаллов составили: 6,4±1,2 нм; 12,3±2,5 нм; 20,0±2,3 нм и 31,1±2,7 нм. Недостатками способа [Gudiksen M.S., Lieber С.М. Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires // J. Am. Chem. Soc.; (Communication); 2000; 122(36); pp. 8801-8802] является большой разброс по диаметрам выращиваемых кристаллов (5-30%), неравномерность распределения кристаллов по поверхности подложки и невозможность обеспечить идентичность размеров капель коллоидного Au.
Известен способ выращивания регулярных систем ННК Si, описанный в [Патент РФ №2117081, МПК6 С30В 029/62, 025/02 / А.А. Щетинин, В.А. Небольсин, А.И. Дунаев, Е.Е. Попова, П.Ю. Болдырев], в котором маскирование поверхности гладкой кремниевой пластины осуществляется с помощью фотолитографии фоторезистом, а металл-катализатор наносят посредством электрохимического осаждения островков из раствора электролита. Недостатком этого способа является непригодность для создания наноразмерных ННК с диаметрами существенно менее 1000 нм из-за физических пределов применяемых фотолитографических методов, поскольку не удается применяемыми методами фотолитографии в фоторезисте сформировать цилиндрические отверстия диаметрами существенно менее 250 нм. А создание отверстий в фоторезисте с поперечными размерами гораздо менее 250 нм является главным необходимым условием формирования одинаковых по размеру наночастиц металла-катализатора ПЖК-роста наноразмерных нитевидных кристаллов.
Также известен способ выращивания регулярных систем ННК кремния, предложенный в [Патент РФ №2336224, МПК6 С30В 029/62, 025/00 / В.А. Небольсин, А.А. Щетинин, А.И. Дунаев, М.А.Завалишин]. Отличие этого способа состоит в том, что цилиндрические отверстия в фоторезисте создают диаметром менее 250 нм импринт-литографией, островки металла толщиной менее 12,5 нм осаждают из раствора электролита, после чего удаляют фоторезист в 5% - растворе плавиковой кислоты. Недостатками способа является необходимость применения дорогостоящего литографического оборудования, наличие большого количества технологических операций, необходимость прецизионного совмещения элементов при проведении ИМПРИНТ-литографии.
Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является способ выращивания ННК полупроводников, предложенный в [Патент РФ №2526066, МПК6 С30В 29162 В82В 3/00 / В.А. Небольсин, А.А. Долгачев, А.И. Дунаев, С.С. Шмакова]. В данном способе перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь пластину Si легируют фосфором до удельного сопротивления 0,008-0,018 Ом⋅см и анодируют длительностью не более 5 мин с подсветкой галогенной лампы в смеси 48%-ного раствора HF и С2Н5ОН (96%) в соотношении 1:1, причем плотность тока анодизации поддерживают на уровне не менее 10 мА/см2, а наночастицы катализатора наносят электроннолучевым напылением пленки металла толщиной не более 2 нм.
Недостатком данного способа является невозможность получения ННК с диаметрами более 10 нм.
Изобретение направлено на получение нитевидных нанокристаллов кремния, имеющих малый разбаланс поперечных размеров. Это достигается тем, что перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину Si наносят пленку Ti и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла с общим обозначением Me, где Me выбирается из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Ме(NO3)х, где Me - одно из химических веществ ряда Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт.
Способ выращивания ННК Si, имеющих диаметры от 10 до 100 нм, осуществляется следующим образом. На поверхность кремниевой пластины с кристаллографической ориентацией (111) электронно-лучевым напылением наносят тонкую пленку Ti. Затем при определенной плотности тока, времени процесса и заданном составе электролита, представляющего собой фторид аммония (NH4F) в этиленгликоле, осуществляется анодирование пленки Ti, являющейся анодом электрохимической ячейки. Таким образом в пленке формируют равномерно распределенные по ее поверхности поры с приблизительно одинаковыми диаметрами порядка нескольких десятков нанометров. В дальнейшем на анодированную поверхность Ti осаждением Ni из раствора заданного состава, при определенной длительности процесса и воздействии на раствор ультразвуком, наносят наночастицы катализатора. Затем подложка помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до температуры роста ННК. В течение нескольких минут в водороде производится сплавление наночастиц металла с подложкой. Затем в газовую фазу подается питающий материал и производится выращивание ННК.
Напыление пленки Ti определяется тем, что титан имеет очень хорошую адгезию к кремнию и при анодировании дает нанопористую структуру, представляющую собой систему равномерно распределенных нанопор или скважин с диаметрами в интервале от 10 до 100 нм в зависимости от времени анодирования. Анодирование Ti представляет собой два параллельных процесса: окисление Ti до TiO2 и селективное растворение TiO2 с образованием нанопор.
Наличие в растворе электролита NH4F является необходимым условием для получения нанопористой структуры пленки TiO2. Ионы F-1 оказывают активирующее действие на поверхность Ti, покрытого оксидным слоем.
Выбор в качестве растворителя для электролита органического этиленгликоля обусловлен необходимостью повышения вязкости раствора, поскольку в водных фторсодержащих средах TiO2 растворяется с большой скоростью.
Поддержание плотности анодного тока в интервале от 5 до 20 мА/см2 и длительности процесса анодирования от 5 до 90 мин определяется тем, что при плотности тока электролиза менее 5 мА/см2 и длительности процесса менее 5 мин нанопористая структура Ti не формируется, а при токе более 20 мА/см2 и времени процесса более 90 мин диаметр пор возрастает до 110-140 нм, что находится за пределами принятого наноразмерного диапазона (1-100 нм), при этом отдельные поры могут объединяться в более крупные кластеры.
Осаждение Me (где Me выбирается из ряда Ni, Ag, Pd) из раствора, имеющего общую формулу Ме(NO3)х, где Me - одно из химических веществ ряда Ni, Ag, Pd; х=1-2) на анодированную поверхность Ti определяется тем, что Ni, Ag, Pd являются эффективными металлами-катализаторами для роста ННК, их можно осаждать только в отверстия нанопор, поскольку пленка TiO2 между порами обладает барьерными свойствами и не позволяет осуществить контакт кремния с металлом-катализатором на всей поверхности пластины, и в результате данного процесса в течение 1-2 мин формируется единственная капля металла-катализатора в объеме каждой поры, позволяющая выращивать из каждой нанопоры единственный ННК. При длительности осаждения менее 1 мин объем осадка недостаточен для формирования единственной капли катализатора, и в последующем капля разбивается на несколько более мелких капель, что приводит к неконтролируемому росту из одной поры нескольких кристаллов. При времени процесса осаждения более 1,5 мин объем осадка Ni превышает объем нанопоры, что также приводит к разбиению капли и росту множественных ННК.
Применение ультразвукового воздействия с мощностью ультразвукового генератора 60 Вт на раствор Me(NO3)x определяется тем, что ультразвук обеспечивает непрерывное перемешивание раствора и разрушение крупных частиц, способствуя тем самым проникновению осадка Me в наноразмерные поры и наиболее плотному их заполнению. Мощность ультразвукового генератора 60 Вт соответствует оптимальной мощности, при которой осуществляются лучшие условия для проникновения металла внутрь нанопор.
Использование предлагаемого способа позволяет существенно облегчить решение проблемы создания наномасштабных устройств на базе ННК. Способ может быть использован в технологиях изготовления солнечных элементов нового поколения на основе модифицированных ННК фотоэлектрических структур, вертикальных полевых транзисторов с оболочковым затвором, оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, чувствительных элементов биологических и химических датчиков и др.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
На исходные пластины Si КДБ (111) электронно-лучевым напылением на установке ВАК 501 наносилась пленка Ti толщиной 500 нм. Затем в течение 5 мин осуществлялось электрохимическое анодирование напыленной пленки в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока составляла 10 мА/см2. В результате, на поверхности кремниевой пластины формировалась нанопористая структура оксидной пленки TiO2 с размерами пор 30-40 нм. После анодирования на поверхность пластины осаждением из 0,1 М раствора Ni(NO3)2 в нанопоры TiO2 наносились частицы Ni с последующей отмывкой в дистиллированной воде и сушкой. Температуру раствора поддерживали в интервале от 273 К до 370 К. Осаждение осуществлялось при воздействии на раствор ультразвуком при мощности источника 60 Вт. Время осаждения составляло 100 с. Подготовленные подложки разрезались и помещались в ростовую печь. В течение 2-10 минут при температуре 900-1100°С осуществлялось сплавление никеля с Si и формировались нанокапли расплава Ni-Si. Затем в газовую фазу подавали SiCl4 при мольном соотношении MSiCl4/MH2=0,008 и выращивали ННК Si. Время выращивания составляло (2-10) минут в зависимости от необходимой длины нанокристаллов. Кристаллы Si имели постоянный по длине диаметр 40±5 нм и длину ~1-2 мкм.
Пример 2.
Выращивание ННК Si проводилось аналогично примеру 1, но в качестве металла-катализатора ПЖК-роста использовалось Ag, осаждаемое из раствора AgNO3. Выращенные ННК имели диаметр, уменьшающийся от основания к вершине от 70-80 нм до 10-20 нм, и длину 0,20-0,25 нм.
Пример 3.
Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в качестве металла-катализатора ПЖК-роста использовался Pd, осаждаемый из раствора Pd(NO3)2. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1.
Пример 4.
Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но продолжительность электролиза составляла 10 мин. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1, но диаметры выращенных нанокристаллов составляли 80-100 нм.
Пример 5.
Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в качестве металла-катализатора ПЖК-роста использовался Pd, осаждаемый из раствора Pd(NO3)2, а величина анодного тока составляла 5 мА/см2. Выращенные ННК имели диаметр 20±0,2 нм и длину ~1,5 мкм.
Пример 6.
Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в газовую фазу подавали тетрахлорид кремния (SiCl4) и тетрахлорид германия (GeCl4) и выращивали ННК твердого раствора SixGe1-x. Соотношение объемных концентраций SiCl4 и GeCl4 составляло 1:1. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1.

Claims (1)

  1. Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния, включающий подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар → капельная жидкость → кристалл, отличающийся тем, что перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину кремния наносят пленку титана и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла с общим обозначением Me, где Me выбирается из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Me(NO3)x, где Me - одно из химических веществ ряда Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт.
RU2016123529A 2016-06-14 2016-06-14 Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния RU2648329C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016123529A RU2648329C2 (ru) 2016-06-14 2016-06-14 Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016123529A RU2648329C2 (ru) 2016-06-14 2016-06-14 Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016123529A RU2016123529A (ru) 2017-12-19
RU2648329C2 true RU2648329C2 (ru) 2018-03-23

Family

ID=60718334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016123529A RU2648329C2 (ru) 2016-06-14 2016-06-14 Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2648329C2 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060009003A1 (en) * 2004-07-07 2006-01-12 Nanosys, Inc. Methods for nanowire growth
RU2526066C1 (ru) * 2013-01-09 2014-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Способ получения нитевидных нанокристаллов полупроводников
US20150086871A1 (en) * 2011-07-26 2015-03-26 Oned Material Llc Nanostructured Battery Active Materials and Methods of Producing Same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060009003A1 (en) * 2004-07-07 2006-01-12 Nanosys, Inc. Methods for nanowire growth
US20150086871A1 (en) * 2011-07-26 2015-03-26 Oned Material Llc Nanostructured Battery Active Materials and Methods of Producing Same
RU2526066C1 (ru) * 2013-01-09 2014-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" Способ получения нитевидных нанокристаллов полупроводников

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016123529A (ru) 2017-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Matsushita et al. New mesostructured porous TiO2 surface prepared using a two-dimensional array-based template of silica particles
CN103868909B (zh) 蘑菇形阵列表面增强拉曼光谱活性基底及制备方法
Kovtyukhova et al. Templated surface sol–gel synthesis of SiO2 nanotubes and SiO2‐insulated metal nanowires
US7001669B2 (en) Process for the preparation of metal-containing nanostructured films
CN102016127A (zh) 纳米线结构元件
Rey et al. Anisotropic silicon nanowire arrays fabricated by colloidal lithography
Prida et al. Electrochemical methods for template-assisted synthesis of nanostructured materials
CN107986230B (zh) 一种图形化仿生磁性微纳米机器人制备方法
US9000416B2 (en) Nanoparticle synthesis
CN108176393A (zh) 一种有序、高密度Ag-Al2O3-MoS2纳米结构的制备方法
Seo et al. ZnO nanotubes by template wetting process
CN106011969A (zh) 镍基上金纳米颗粒阵列及其制备方法
US11004943B2 (en) Porous and nanoporous semiconductor materials and manufacture thereof
Guo et al. Controllable patterning of hybrid silicon nanowire and nanohole arrays by laser interference lithography
KR102013825B1 (ko) 수소가스센서 및 이의 제조방법
Djenizian et al. Electrochemical fabrication of tin nanowires: a short review
RU2648329C2 (ru) Способ получения нитевидных нанокристаллов кремния
RU2526066C1 (ru) Способ получения нитевидных нанокристаллов полупроводников
KR100803053B1 (ko) 주기적인 패턴을 갖는 산화아연 나노막대 어레이의제조방법
CN108671943B (zh) 一种微米槽结构在电极析氢反应中加快气泡溢出的应用
RU2336224C1 (ru) Способ получения регулярных систем наноразмерных нитевидных кристаллов кремния
George et al. Patterning functional materials using channel diffused plasma-etched self-assembled monolayer templates
Hujdic et al. High-density gold nanowire arrays by lithographically patterned nanowire electrodeposition
CN113502464B (zh) 一种图案化二氧化钛纳米线阵列及其制备方法
CN106226865B (zh) 一种光子晶体中纳米直孔周期性阵列制备方法