TW201802907A - 奈米異質結構 - Google Patents

奈米異質結構

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Abstract

本發明提供一種奈米異質結構。該奈米異質結構包括一第一奈米碳管，該第一奈米碳管朝一第一方向延伸；一半導體層，該半導體層的厚度為1~100奈米；一第二奈米碳管，該第二奈米碳管設置於所述半導體層的表面，使半導體層設置於第一奈米碳管和第二奈米碳管之間，該第二奈米碳管朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夾角，該夾角大於0度小於等於90度。

Description

奈米異質結構
本發明涉及一種奈米異質結構。
異質結是由兩種不同的半導體材料相接觸所形成的介面區域。按照兩種材料的導電類型不同，異質結可分為同型異質結（P-p結或N-n結）和異型異質(P-n或p-N)結，多層異質結稱為異質結構。通常形成異質的條件是：兩種半導體有相似的晶體結構、相近的原子間距和熱膨脹係數。利用介面合金、外延生長、真空澱積等技術，都可以製造異質結。異質結常具有兩種半導體各自的PN結都不能達到的優良的光電特性，使它適宜於製作超高速開關器件、太陽能電池以及半導體雷射器等。
近年來，二維半導體材料由於具有優異的電子和光學性能，成為異質結構領域的研究熱點。然而，受技術水準的限制，這種材料的異質結構通常為微米結構，一定程度上限制了其應用範圍。
有鑑於此，確有必要提供一種奈米異質結構。
一種奈米異質結構，其包括一第一奈米碳管，該第一奈米碳管朝一第一方向延伸；一半導體層，該半導體層的厚度為1~100奈米；一第二奈米碳管，該第二奈米碳管設置於所述半導體層的表面，使半導體層設置於第一奈米碳管和第二奈米碳管之間，該第二奈米碳管朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夾角，該夾角大於0度小於等於90度。
優選地，所述第一奈米碳管和第二奈米碳管分別為單壁奈米碳管，更進一步地，為金屬型單壁奈米碳管。
優選地，所述第一奈米碳管和第二奈米碳管的直徑為1奈米～10奈米。
優選地，所述半導體層為過渡金屬硫化物，更進一步地，所述半導體層為硫化鉬材料。
優選地，第一奈米碳管和第二奈米碳管的延伸方向相互垂直。
相较於现有技术，本發明所提供的奈米異質結構的製備方法所製備的奈米異質結構，第一奈米碳管和第二奈米碳管以及夾在第一奈米碳管和第二奈米碳管之間的半導體層形成一個三層立體結構，該三層立體結構的橫截面的大小由第一奈米碳管和第二奈米碳管的直徑決定，由於奈米碳管的直徑為奈米級，因此，該三層立體結構的橫截面為奈米級，故，該奈米異質結構在應用時具有較低的能耗、較高的空間解析度以及更高的完整性。
圖1為本發明第一實施例提供的奈米異質結構的整體結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的奈米異質結構的側視示意圖。
圖3為本發明第二實施例提供的奈米異質結構的製備方法流程圖。
圖4為本發明第三實施例提供的奈米電晶體的結構示意圖。
圖5為本發明第四實施例提供的奈米電晶體的製備方法流程圖。
圖6為本發明第五實施例提供的光探測器的結構示意圖。
以下將结合附圖對本發明的有機發光二極體制备方法和制备裝置作進一步的详细说明。
请參阅圖1及圖2，本發明第一實施例提供一種奈米異質結構100。該奈米異質結構100包括一第一奈米碳管102、一半導體層104及一第二奈米碳管106。所述第一奈米碳管102朝一第一方向延伸。所述半導體層104的厚度為1~100奈米。所述第二奈米碳管106設置於所述半導體層104的表面，使半導體層104設置於第一奈米碳管102和第二奈米碳管106之間。所述第二奈米碳管106朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夾角，該夾角大於0度小於等於90度。
所述第一奈米碳管102可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。所述第一奈米碳管102為金屬型奈米碳管或者半導體型奈米碳管，優選地，為金屬型奈米碳管。第一奈米碳管102的直徑不限，可以為0.5奈米~150奈米，在某些實施例中，第一奈米碳管102的直徑可以為1奈米~10奈米。優選地，第一奈米碳管102為單壁奈米碳管，其直徑為1奈米~5奈米。本實施例中，第一奈米碳管102為金屬型單壁奈米碳管，其直徑為1奈米。所述第一奈米碳管102朝第一方向延伸。
所述半導體層104為一二維結構的半導體層，即半導體層104的厚度較小，半導體層的厚度為1奈米~200奈米，優選地，其厚度為1奈米~10奈米，本實施例中，半導體層的厚度為2奈米。所述半導體層104的材料可以為N型半導體，也可以為P型半導體。所述半導體層104的材料不限，可以為無機化合物半導體、元素半導體或有機半導體材料，如：砷化镓、碳化硅、多晶矽、單晶矽或萘等。在一些實施例中，半導體層104的材料為過渡金屬硫化物材料。本實施例中，半導體層104的材料為硫化鉬（MoS2 ），為N型半導體材料，其厚度為2奈米。
所述第二奈米碳管106可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。所述第二奈米碳管106為金屬型奈米碳管或者半導體型奈米碳管。第二奈米碳管106的直徑不限，可以為0.5奈米~150奈米，在某些事實例中，第二奈米碳管106的直徑可以為1奈米~10奈米。優選地，第二奈米碳管106為單壁奈米碳管，其直徑為1奈米~5奈米。本實施例中，第二奈米碳管106為金屬型單壁奈米碳管，其直徑為2奈米。第二奈米碳管106和第一奈米碳管102的材料和尺寸可以相同，也可以不同。所述第二奈米碳管106朝一第二方向延伸。
所述第一奈米碳管102的延伸方向和第二奈米碳管106的延伸方向之間形成一夾角，該夾角大於0度小於等於90度，即，第一方向和第二方向之間的夾角大於0度小於等於90度。在某些實施例中，第一方向和第二方向之間的夾角為大於60度小於等於90度。優選地，第一方向和第二方向之間的夾角為90度。本實施例中，如圖1所示，第一奈米碳管102的延伸方向和第二奈米碳管106的延伸方向相互垂直，即夾角為90度。第一奈米碳管102和第二奈米碳管106相互交叉，在交叉點形成一由第一奈米碳管102、半導體層104和第二奈米碳管106組成的一三層立體結構110。該三層立體結構110的橫截面的面積由第一奈米碳管102和第二奈米碳管106的直徑決定。由於第一奈米碳管102和第二奈米碳管106均為奈米材料，該三層立體結構110的橫截面面積也是奈米級。優選地，該三層立體結構110的橫截面的面積為0.25nm2 ~1000nm2 之間。更優選地，該三層立體結構110的橫截面的面積為1nm2 ~100nm2 之間。
第一奈米碳管102和第二奈米碳管106與二維半導體層104在三層立體結構110處形成範德華異質結構。在應用時，第一奈米碳管102和第二奈米碳管106與半導體層104之間形成肖特基結，電流可以穿過該三層立體結構110。由於第一奈米碳管102和第二奈米碳管106均為奈米材料，該三層立體結構110的橫截面面積也是奈米級，即形成了奈米異質結構。該奈米異質結構具有較低的能耗、較高的空間解析度以及更高的完整性。
請參見圖3，本發明第二實施例進一步提供一種上述奈米異質結構的製備方法，其包括以下步驟：
S1：提供一支撐結構，在所述支撐結構上形成一第一奈米碳管層，該第一奈米碳管層包括多個第一奈米碳管；
S2：在所述第一奈米碳管層上形成一半導體層；
S3：覆蓋一第二奈米碳管層於所述半導體層上，該第二奈米碳管層包括多個第二奈米碳管，其中至少一個第二奈米碳管的延伸方向與所述第一奈米碳管的延伸方向相互交叉；
S4：找出一組相互交叉的第一奈米碳管和第二奈米碳管，標識該組第一奈米碳管和第二奈米碳管，將其餘的第一奈米碳管和第二奈米碳管去除；以及
S5：將上述結構進行退火處理。
在步驟S1中，所述支撐結構用於支撐第一奈米碳管層，其材料不限。優選地，支撐結構為絕緣材料。本實施例中，支撐結構為一雙層結構，下層為矽材料，上層為氧化矽，其中氧化矽的厚度為300奈米。第一奈米碳管層中包括多個第一奈米碳管。該第一奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。該第一奈米碳管可以為金屬型或者半導體型。第一奈米碳管的直徑不限，可以為0.5奈米~150奈米，在某些實施例中，第一奈米碳管102的直徑可以為1奈米~10奈米。優選地，第一奈米碳管102為單壁奈米碳管，其直徑為1奈米~5奈米。所述多個第一奈米碳管的排列方向不限，可以交叉排列或平行排列。本實施例中，第一奈米碳管層中的多個第一奈米碳管相互平行。在支撐結構上形成一第一奈米碳管層的方法可以為轉移方法，該轉移方法包括以下步驟：
S11：在一基底上生長一第一奈米碳管層，該第一奈米碳管層包括多個相互平行的奈米碳管。其中，所述基底為矽基底。
S12：塗覆一過渡層於上述第一奈米碳管層的表面。本實施例中，所述過渡層的材料為PMMA。所述過渡層的厚度不限，優選為1~10微米。
S13：將塗覆有過渡層的第一奈米碳管層以及基底放入一鹼性溶液中加熱至70~90攝氏度，使過渡層和第一奈米碳管層與基底分離。本步驟中，第一奈米碳管層與過渡層結合更加緊密，在過渡層與基底分離時，至少部分第一奈米碳管層形成於過渡層上。所述鹼性溶液可以為氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液。本實施例中，塗覆有過渡層的第一奈米碳管層以及基底放入氫氧化鈉溶液中加熱至80攝氏度左右，加熱5分鐘。
S14：將黏有第一奈米碳管層的過渡層鋪設於支撐結構上，除去過渡層，使第一奈米碳管層形成於支撐結構的表面。本實施例中，PMMA過渡層通過丙酮清洗的方法去除。
在步驟S2中，提供一半導體層晶體，通過膠帶多次對撕的方法對撕該半導體晶體，使半導體層的厚度越來越薄，直到在膠帶上形成一二維的半導體層，然後將該二維的半導體層設置於第一奈米碳管層的表面，除去膠帶。本實施例中，硫化鉬單晶採用膠帶多次對撕，使得到的片狀硫化鉬的厚度越來越薄，直到得到奈米厚度的硫化鉬層。將帶有半導體層的膠帶覆蓋在第一奈米碳管層上，使半導體層與第一奈米碳管層接觸，揭下膠帶，至少部分半導體層留在第一奈米碳管層的表面。
在步驟S3中，第二奈米碳管可以與第一奈米碳管相同，也可以不同。所述多個第二奈米碳管的排列方向不限，可以交叉排列或平行排列。本實施例中，第二奈米碳管層中的多個第二奈米碳管相互平行，第一奈米碳管的排列方向與第二奈米碳管的排列方向相互垂直。所述第二奈米碳管層通過轉移方法轉移至半導體層的表面。第二奈米碳管層的轉移方法與第一奈米碳管的轉移方法相同。
步驟S4具體包括以下步驟：
S41：在掃描電鏡（SEM）輔助下選取一組相互交叉的第一奈米碳管和第二奈米碳管，並標識該組第一奈米碳管和第二奈米碳管的座標位置；
S42：用電子束曝光的方法將該組第一奈米碳管和第二奈米碳管保護，其它第一奈米碳管和第二奈米碳管露出，採用等離子體刻蝕的方法將其它第一奈米碳管和第二奈米碳管刻蝕掉。
步驟S41中，先將支撐結構的長度和寬度上標識座標刻度，可以為XY座標；然後在掃描電鏡下，選取一組相互交叉的第一奈米碳管和第二奈米碳管，並讀出該組相互交叉的第一奈米碳管和第二奈米碳管的座標值。
步驟S5中，退火步驟在真空環境下進行，退火溫度為300~400攝氏度。經過退火處理之後，可以除去奈米異質結構表面的一些雜質，還可以使第一奈米碳管、半導體層以及第二奈米碳管之間的結合力更強。
請參見圖4，本發明第三實施例提供一種奈米電晶體200。該奈米電晶體200包括一源極202、一汲極204、一奈米異質結構100及一閘極208。該奈米異質結構100與該源極202和汲極204電連接，該閘極208通過一絕緣層210與該奈米異質結構100、源極202及汲極204絕緣設置。所述奈米異質結構100的具體結構與第一實施例提供的奈米異質結構100相同，在此不再重複做詳述。
所述源極202和汲極204均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。所述源極202和汲極204也可以均為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度為2微米-100微米。本實施例中，所述源極202、汲極204為金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結構是由一層金屬Au和一層金屬Ti組成，Au設置在Ti的表面。所述金屬Ti的厚度為2奈米，金屬Au的厚度為50奈米。本實施例中，所述源極202與第一奈米碳管102電連接，設置於第一奈米碳管102的一端並貼合於第一奈米碳管102的表面，其中，Ti層設置於第一奈米碳管102表面，Au層設置於Ti層表面；所述汲極204與第二奈米碳管106電連接，並設置於第二奈米碳管106的一端並貼合於第二奈米碳管106的表面，其中，Ti層設置於第二奈米碳管106表面，Au層設置於Ti層表面。
所述閘極208由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。本實施例中，所述閘極208為一層狀結構，絕緣層210設置於閘極208的表面，所述源極202、汲極204、以及半導體結構206設置於絕緣層210上，並由閘極208和絕緣層210支撐。
所述奈米電晶體200中，由於第一奈米碳管102和第二奈米碳管106與半導體層104之間形成肖特基結，即三層立體結構110內部形成肖特基結。通過在閘極208上施加偏壓来改变所述肖特基结势垒的高度，從而控制源極202和汲極204之间電流的大小。本實施例中，半導體層104的材料為硫化钼，其為n型半導體，源極202和汲極204的偏壓一定時，當閘極208的電壓為正時，三層立體結構110內部形成肖特基結势垒降低，源極202和汲極204之間導通產生電流，實现開狀态，電流的流動路徑為從源極202、第一奈米碳管102、三層立體結構110、第二奈米碳管106及汲極204；當閘極208的電壓為负時，肖特基結的势垒增高，源極202和汲極204之間幾乎沒有電流通過，實现关的狀态。本實施例所提供的奈米電晶體200的開关比可达106 。
請參見圖5，本發明第四實施例進一步提供一種奈米電晶體的製備方法，其包括以下步驟：
M1：提供一支撐結構，在所述支撐結構上形成一第一奈米碳管層，該第一奈米碳管層包括多個第一奈米碳管；
M2：在所述第一奈米碳管層上形成一半導體層；
M3：覆蓋一第二奈米碳管層於所述半導體層上，該第二奈米碳管層包括多個第二奈米碳管，其中至少一個第二奈米碳管的延伸方向與所述第一奈米碳管的延伸方向相互交叉；
M4：找出一組相互交叉的第一奈米碳管和第二奈米碳管，標識該組第一奈米碳管和第二奈米碳管，分別設置電極與第一奈米碳管和第二奈米碳管接觸，然後將其餘的第一奈米碳管和第二奈米碳管去除；以及
M5：將上述結構進行退火處理。
本實施例中，所述步驟M1中，支撐結構為一雙層結構，下層為一導電層，上層為一絕緣層。所述第一奈米碳管層形成於該絕緣層上。支撐結構中的導電層可以為該奈米電晶體的閘極。
所述步驟M2、M3以及M5分別與第三實施例中提供的步驟S2、S3以及S5相同，在此不再詳細描述。
所述步驟M4具體包括以下步驟：
M41：在掃描電鏡（SEM）輔助下選取組相互交叉的第一奈米碳管和第二奈米碳管，並標識該組第一奈米碳管和第二奈米碳管的座標位置；
M42：用電子束曝光的方法在第一奈米碳管的一端形成一第一電極，在第二奈米碳管的一端形成一第二電極，然後將形成有第一電極的第一奈米碳管和形成有第二電極的第二奈米碳管保護，其它第一奈米碳管和第二奈米碳管露出，採用等離子體刻蝕的方法將其它第一奈米碳管和第二奈米碳管刻蝕掉。
請參見圖6，本發明第五實施例提供一種光探测器300。該光探測器300包括一奈米異質結構100、一第一電極302、一第二電極304、一電流探測元件306及一電源308。該奈米異質結構100與第一實施例提供的奈米異質結構100結構相同，在此不再作重複詳細介紹。該奈米異質結構100包括一第一奈米碳管102、一半導體層104及一第二奈米碳管106。所述第一奈米碳管102與第一電極302電連接。所述第二奈米碳管106與第二電極304電連接。所述第一電極302和第二電極304與電流探測元件306電連接。所述電源308與第一電極302、第二電極304電連接。所述第一電極302、第二電極304、電流探測元件306以及電源308形成一回路結構。本實施例中，第一電極302設置於第一奈米碳管102的一端，第二電極304設置於第二奈米碳管106的一端，電流探測元件306、電源308分別通過導線與第一電極302和第二電極304形成回路。
所述奈米異質結構100中，在第一奈米碳管102和第二奈米碳管106交叉點形成的由第一奈米碳管102、半導體層104和第二奈米碳管106組成一三層立體結構110為光探測器的探測點。
所述第一電極302和第二電極304均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。所述第一電極302和第二電極304也可以均為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度為2微米-100微米。本實施例中，所述第一電極302和第二電極304分別為由金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結構是由金屬Au在金屬Ti的表面複合而成，金屬Ti設置於第一奈米碳管102/第二奈米碳管106的表面，Au設置於金屬Ti的表面。所述金屬Ti的厚度為2奈米，金屬Au的厚度為50奈米。
所述電流探測元件306用於探測第一電極302和第二電極304與電流探測元件306形成的回路中是否有電流流過。電流探測元件306可以為一電流錶。所述電源308用於向第一電極302和第二電極304提供電壓，即在第一電極302和第二電極304之間形成偏壓。
所述光探測器300可以光的定性定量探測。所述光探測器300的定性探測光的工作原理為：打開電源308，在第一電極302源汲極之间施加一定偏壓，當沒有光照射到光探測器的探測點，即三層立體結構110上時，由於三層立體結構110沒有導通，回路中不會有電流通過，電流探測元件306中探測不到電流；當光照射到光探測器的探測點，光照射到半導體層上，半導體層中产生光生載流子，第一奈米碳管102和第二奈米碳管106之間形成的局域電场將光生電子空穴對分開，這样就形成了光生電流，即第一電極302和第二電極304之間實現導通，回路中產生電流，電流探測元件306中探測到電流。即，通過回路中是否有電流產生來探測光源。
所述光探測器300的定量探測光的工作原理為：打開電源308，用已知的、不同強度的光依次照射探測點，讀出電流探測元件306中探測到的電流值，一個強度的光對應一個電流值，並將不同強度的光對應的不同的電流值作相應的曲線圖，即可標識出不同強度的光對應形成電流的標準曲線。當採用未知強度的光照射探測點時，根據電流探測元件306中探測到的電流值，即可從該標準曲線上讀出光的強度值。
本發明所提供的光探測器中，由於奈米异质结独特的结構設计，電场主要局域在兩根奈米碳管的交界處，只有当光照射在兩根奈米碳管交界的结区附近，才能产生有效的光電流。因此這種奈米垂直异质结可以實现空间高分辨的光探测。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100
奈米異質結構：
102‧‧‧第一奈米碳管
104‧‧‧半導體層
106‧‧‧第二奈米碳管
110‧‧‧三層立體結構
200‧‧‧奈米電晶體
202‧‧‧源極
204‧‧‧汲極
208‧‧‧閘極
210‧‧‧絕緣層
300‧‧‧光探測器
302‧‧‧第一電極
304‧‧‧第二電極
306‧‧‧電流探測元件
308‧‧‧電源
無
100‧‧‧奈米異質結構
102‧‧‧第一奈米碳管
104‧‧‧半導體層
106‧‧‧第二奈米碳管
110‧‧‧三層立體結構

Claims (10)

  1. 一種奈米異質結構，其包括一第一奈米碳管，該第一奈米碳管朝一第一方向延伸；一半導體層，該半導體層的厚度為1~200奈米；一第二奈米碳管，該第二奈米碳管設置於所述半導體層的表面，使過半導體層設置於第一奈米碳管和第二奈米碳管之間，該第二奈米碳管朝一第二方向延伸，第二方向和第一方向形成一夾角，該夾角大於0度小於等於90度。
  2. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述第一奈米碳管或第二奈米碳管為金屬型奈米碳管。
  3. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述第一奈米碳管或第二奈米碳管為單壁奈米碳管。
  4. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述第一奈米碳管或第二奈米碳管的直徑為1奈米～10奈米。
  5. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述第一奈米碳管和第二奈米碳管的交叉出與半導體層形成一三層立體結構，該三層立體結構的橫截面面積在1nm2 ~100nm2 之間。
  6. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述半導體層的厚度為1奈米~10奈米。
  7. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述半導體層為無機化合物半導體、元素半導體或有機半導體。
  8. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述半導體材料為砷化鎵、碳化矽、多晶矽、單晶矽、萘或硫化鉬。
  9. 如請求項第1項所述之奈米異質結構，其中，所述第一方向和第二方向之間的夾角為大於60度小於等於90度。
  10. 如請求項第9項所述之奈米異質結構，其中，所述第一方向和第二方向之間的夾角等於90度。
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