低成本一维硅纳米结构的制备及性能研究

摘要

目前硅仍是现代半导体产业中最要的材料，一维硅纳米结构在纳米电子学、光电子学、能量转换、能量存储、生物化学传感器等方面已显现出巨大的应用潜能。因此，一维硅纳米材料的制备、表征及应用已受到科学界的广泛关注。金属辅助的化学刻蚀法是近年来发展起来的一种各向异性刻蚀方法，利用图案化的金属薄膜可以制备出高长径比的半导体纳米结构，该方法具有成本低、工艺简单、硅纳米结构的方向易于控制等显著优势，成为制备一维硅纳米结构的理想技术。本文重点是基于金属辅助的化学刻蚀方法制备一维硅纳米结构，并对其性能进行表征，具体开展的研究工作包括以下几个方面:
　　 第一、对一维硅纳米结构的合成方法、特性及其应用进行了较为全面的总结。
　　 第二、利用ATK/VNL仿真软件对一维硅纳米线的电子输运特性进行了模拟仿真，重点模拟分析了不同偏电压条件下基于硅纳米线两电极系统的透射谱特性及I-V特性，为深入理解硅纳米线的电子输运特性提供了理论指导。
　　 第三、基于金属辅助的化学刻蚀方法在AgNO3与HF组成的刻蚀液中制备了一维硅纳米结构，通过改变制备条件（如刻蚀液浓度、温度、时间），可制备出束状硅纳米线阵列、纳米多孔硅阵列等硅纳米结构，并分析了一维硅纳米线形成的过程与机理。
　　 第四、对金属辅助化学刻蚀法制备的一维硅纳米结构分别进行了亲疏水特性测试及拉曼光谱测试。亲疏水接触角测试结果表明，刻蚀后的一维硅纳米结构的疏水性显著增强，接触角增加量高达63°;拉曼光谱测试表明，刻蚀后的一维硅纳米结构的拉曼主峰发生了明显的红移，典型的拉曼主峰由原来的520cm-1变为512cm-1，且出现了不对称宽化现象，散射强度大幅降低(散射强度由原来的900降低为200-400)。
　　 第五、总结了硅纳米线场效应晶体管应用在生物传感器中的显著优势，基于MEMS/NEMS加工工艺，设计了基于硅纳米线场效应晶体管生物传感器及硅纳米线场效应晶体管的加工流程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米材料的特性

1．2．1 小尺寸效应

1．2．2 表面效应

1．2．3 量子尺寸效应

1．2．4 宏观量子隧道效应

1．3 一维硅纳米线的特性及应用

1．3．1 机械特性及应用

1．3．2 电学特性及应用

1．3．3 光学特性及应用

1．3．4 生化传感特性及应用

1．3．5 热电特性及应用

1．4 一维硅纳米线的制备方法

1．4．1 高温化学气相沉积

1．4．2 低温化学气相沉积

1．4．3 分子束外延

1．4．4 激光烧蚀法

1．4．5 物理刻蚀法

1．4．6 金属辅助的化学刻蚀法

1．5 本论文的主要工作

第二章 一维硅纳米结构电子输运性质研究

2．1 仿真软件介绍

2．2 一维硅纳米结构的电子输运仿真

2．3．1 硅纳米线横截面及能带结构

2．2．2 硅纳米线两电极模型

2．2．3 有限长硅纳来线两电极系统电子输运仿真

2．3 本章小结

第三章 金属辅助化学刻蚀法制备一维硅纳米结构

3．1 一维硅纳米结构的制备过程

3．1．1 实验试剂及仪器

3．1．2 硅片清洗

3．1．3 刻蚀液HF／AgNO3的制备

3．1．4 一维硅纳米结构的刻蚀

3．2 金属辅助化学刻蚀一维硅纳米结构的表面形貌及分析

3．2．1 0．02mol／L AgNO3与10％HF构成的刻蚀

3．2．2 0．03mol／L AgNO3与15％HF组成的刻蚀液

3．2．3 0．035mol／L AgNO3与20％HF组成的刻蚀液

3．2．4 其他刻蚀条件下制备的硅纳米结构

3．3 硅纳米线阵列的形成机理分析

3．4 本章小结

第四章 一维硅纳米结构的亲疏水性及拉曼光谱性研究

4．1 一维硅纳米结构的亲疏水性研究

4．2 一维硅纳米结构的拉曼光谱光研究

4．3 本章小结

第五章 硅纳米线场效应晶体管的生物传感器研究

5．1 场效应晶体管生物传感器研究背景

5．2 硅纳米线场效应晶体管生物传感器

5．2．1 硅纳米线场效应晶体管检测原理

5．2．2 硅纳米线场效应晶体管加工方法

5．3 硅纳米线场效应晶体管生物传感器工艺流程设计

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文的主要研究工作

6．2 进一步的研究方向

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文