一种高晶体质量超细砷化铟纳米线生长方法

摘要

本发明公开了一种高晶体质量超细砷化铟纳米线的生长方法，其包括以下步骤：步骤1：将去除表面氧化层的衬底放在分子束外延设备样品架上，所述分子束外延设备装有铟、砷和银源；步骤2：设定衬底温度为第一设定温度，待温度稳定后，打开银源挡板，以使得在衬底上沉积一定厚度的银薄膜；步骤3：关闭银源挡板，将衬底升温至第二设定温度，待温度稳定后保持第一预定时间，以提高银薄膜的晶体质量；步骤4：然后再将衬底升温至第三设定温度，待温度稳定后保持第二预定时间，使得所述银薄膜分散成银纳米颗粒；步骤5：将铟源及砷源升至一定温度，以通过砷源和铟源的所述温度调节二者的束流比在预定范围内；步骤6：将衬底温度降至砷化铟纳米线的生长温度；步骤7：待温度稳定后，同时打开铟源和砷源挡板，在沉积的银纳米颗粒上生长超细砷化铟纳米线。本发明采用银做催化剂可以降低砷化铟纳米线的生长成本。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种高晶体质量超细砷化铟 纳米线生长方法。

背景技术

砷化铟作为一种重要的窄禁带III-V族半导体材料，它具有高电子迁 移率，低有效质量以及很大的激子玻尔半径。砷化铟纳米线在纳米电子器 件、纳米光子器件、量子器件、生物传感和检测、纳米物理与化学等方面 具有巨大的应用价值和科学意义，近年来受到人们的高度关注。当前，国 内外各科研小组利用金属有机气相外延(参阅Nano Letters2008年第8卷第 3475页)、金属有机化学气相沉积(参阅Nano Letters2009年第9卷第2926 页)以及分子束外延(参阅Applied Physics Letters2011年第98卷123114 页)等方法制备出了砷化铟纳米线，但目前报道的纳米线晶体质量都不高， 晶体中存在大量缺陷。然而，纳米线晶体质量的优劣直接关系到纳米器件 性能的好坏。因此，制备出高品质的纳米线是制备高性能纳米线电子器件 的前提和基础。此外，随着微电子技术的发展，半导体器件的尺寸日益减 小，人们对器件高性能的需求意味着必须提升芯片和电路的集成度。因此， 超小尺寸的材料成为了当今材料科学的研究热点。生长纳米线的一个重要 环节是选取衬底，采用硅衬底将会大大降低纳米线生长成本并为与当代 CMOS工艺的兼容、集成创造条件。目前，文献报道的在硅衬底上生长的 砷化铟纳米线的直径均在27nm以上。此外，用来生长砷化铟纳米线的催 化剂主要是金、锰及钯，目前国内外尚没有采用银做催化剂生长砷化铟纳 米线的报道。因此，如何在硅衬底上采用银做催化剂生长出超细的砷化铟 纳米线成为了一大议题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明着重解决在大晶格失配的硅衬底上采用银做催化剂生长高晶 体质量超细砷化铟纳米线的问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种高晶体质量超细砷化铟纳米线的生长方法，其包括 以下步骤：

步骤1：将去除表面氧化层的衬底放在分子束外延设备样品架上，所 述分子束外延设备装有铟、砷和银源；

步骤2：设定衬底温度为第一设定温度，待温度稳定后，打开银源挡 板，以使得在衬底上沉积一定厚度的银薄膜；

步骤3：关闭银源挡板，将衬底升温至第二设定温度，待温度稳定后 保持第一预定时间，以提高银薄膜的晶体质量；

步骤4：然后再将衬底升温至第三设定温度，待温度稳定后保持第二 预定时间，使得所述银薄膜分散成银纳米颗粒；

步骤5：将铟源及砷源升至一定温度，以通过砷源和铟源的所述温度 调节二者的束流比在预定范围内；

步骤6：将衬底温度降至砷化铟纳米线的生长温度；

步骤7：待温度稳定后，同时打开铟源和砷源挡板，在沉积的银纳米 颗粒上生长超细砷化铟纳米线。

(三)有益效果

高晶体质量可以有效避免纳米线的晶体结构缺陷引起的纳米线量子 效率降低、载流子寿命变短以及载流子浓度削弱等缺点；此外，超细的纳 米线可以大大提高纳米线的比表面积而且可以充分利用其量子限制效应； 因此，高品质的超细砷化铟纳米线可以用来制备高性能的砷化铟纳米线电 子器件、量子器件及生物传感器；

另一方面，与常用的金催化剂相比，本发明采用银做催化剂可以降低 砷化铟纳米线的生长成本。

附图说明

图1是本发明中高晶体质量超细砷化铟纳米线的生长方法的流程图；

图2是本发明中银纳米颗粒的扫描电镜图；

图3是本发明中高晶体质量超细砷化铟纳米线的扫描电镜图及其局部 放大图；

图4是本发明中高晶体质量超细砷化铟纳米线顶端高分辨透射电镜 图；

图5是本发明中高晶体质量超细砷化铟纳米线中部高分辨透射电镜 图；

图6是本发明中高晶体质量超细砷化铟纳米线底部高分辨透射电镜 图；

图7是本发明中由快速傅里叶变换得到的高晶体质量超细砷化铟纳米 线电子衍射图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明公开了一种高晶体质量超细砷化铟纳米线的 生长方法，所述生长方法为分子束外延法，其包括如下步骤：

步骤1：将去除表面氧化层的硅衬底放在装有铟源、砷源和银源的分 子束外延设备样品架上。分子束外延设备可以实现材料的精确控制生长， 此外，其为砷化铟纳米线的生长提供稳定的高真空环境。

步骤2：将衬底温度设为室温，待温度稳定后，打开银源的挡板，在 衬底上沉积一定厚度的银薄膜；此步骤中，衬底温度为室温是保证银能在 衬底表面形成均一的薄膜；控制薄膜的厚度目的是保证银薄膜在退火后能 形成分散开的纳米颗粒，使其不至于太多而不能在衬底表面完全分散开。

步骤3：将衬底温度设为第一设定温度，待温度稳定后保持一段时间； 所述衬底温度和保持时间以提高银薄膜的晶体质量为目的进行设定；目的 是保证步骤4中形成的银纳米颗粒为单晶颗粒，否则生长的砷化铟纳米线 会发生扭曲从而无法得到直径均一的纳米线。

步骤4：将衬底温度升至第二设定温度，待温度稳定后保持一段时间。 此步骤目的是使沉积的银薄膜在衬底表面形成如图2所示分散且直径很小 的银纳米颗粒。银纳米颗粒的直径决定砷化铟纳米线的直径。上述衬底温 度和保持时间以形成直径较小的银纳米颗粒为目的进行设定。

步骤5：将铟源及砷源升至一定温度，使砷化铟纳米线生长时砷源和 铟源的束流比在预定范围内。所述束流比是以满足砷化铟纳米线成核及生 长为目的进行设定；所述砷源和铟源的束流比可以通过调节砷源和铟源的 温度进行调整。

步骤6：将衬底温度降至砷化铟纳米线的生长温度。

步骤7：待温度稳定后，同时打开铟源和砷源的挡板，在沉积的银纳 米颗粒上以气-液-固生长机制生长超细砷化铟纳米线。

步骤8：生长结束后，先关铟源挡板，当衬底温度降至一定温度后再 关砷源挡板，完成砷化铟纳米线的制备。此步骤中先关铟源挡板，再关砷 源挡板，是为了是防止砷化铟纳米线由于衬底温度过高发生分解。

实施例一

在一优选实施例中，本发明公开的上述高晶体质量超细砷化铟纳米线 的生长方法，具体包括：

步骤1：将去除表面氧化层的硅衬底放在装有铟源、砷源和银源的分 子束外延设备样品架上。

步骤2：将衬底温度设为室温，待温度稳定后，打开银源的挡板，在 衬底上沉积2nm厚的银薄膜。

步骤3：将衬底温度设为250℃，待温度稳定后保持10小时。

步骤4：将衬底温度升至650℃，待温度稳定后保持20分钟；使得 沉积的银薄膜在衬底表面形成如图2所示分散且直径为11nm左右的银纳 米颗粒。

步骤5：将铟源升至840℃，将砷源升至295℃，使砷化铟纳米线生 长时砷源和铟源的束流比为30。

步骤6：将衬底温度降至砷化铟纳米线的生长温度：505℃。

步骤7：待温度稳定后，同时打开铟源和砷源的挡板，在沉积的银纳 米颗粒上以气-液-固生长机制生长超细砷化铟纳米线。由图3所示的砷化 铟纳米线的扫描电镜图及其局部放大图可以得知，利用本方法得到的砷化 铟纳米线的长度为1-6μm；且从图4至图6示出的砷化铟纳米线顶端、 低端和中部的高分辨透射电镜图可以得知，利用本方法得到的砷化铟纳米 线直径均一，为11nm；图7示出了由快速傅里叶变换得到的所述高晶体 质量超细砷化铟纳米线的电子衍射图，从图7可以得出，利用本方法得到 的砷化铟纳米线为六方纤锌矿结构，且晶体中不存在层错缺陷。

步骤8：生长结束后，先关铟源挡板，当衬底温度降至300℃以下再 关砷源挡板，完成砷化铟纳米线的制备。

实施例二

在另一优选实施例中，本发明公开的上述高晶体质量超细砷化铟纳米 线的生长方法，具体包括：

步骤1：将去除表面氧化层的硅衬底放在装有铟源、砷源和银源的分 子束外延设备样品架上。

步骤2：将衬底温度设为室温，待温度稳定后，打开银源的挡板，在 衬底上沉积3nm厚的银薄膜。

步骤3：将衬底温度设为250℃，待温度稳定后保持10小时。

步骤4：将衬底温度升至690℃，待温度稳定后保持20分钟，使得 沉积的银薄膜在衬底表面形成分散且直径为11nm左右的银纳米颗粒。

步骤5：将铟源升至800℃，将砷源升至295℃，使砷化铟纳米线生 长时砷源和铟源的束流比为80。

步骤6：将衬底温度降至砷化铟纳米线的生长温度：530℃。

步骤7：待温度稳定后，同时打开铟源和砷源的挡板，在沉积的银纳 米颗粒上以气-液-固生长机制生长超细砷化铟纳米线。

步骤8：生长结束后，先关铟源挡板，当衬底温度降至300℃以下再 关砷源挡板，完成砷化铟纳米线的制备。

实施例三

在另一优选实施例中，本发明公开的上述高晶体质量超细砷化铟纳米 线的生长方法，具体包括：

步骤1：将去除表面氧化层的硅衬底放在装有铟源、砷源和银源的分 子束外延设备样品架上。

步骤2：将衬底温度设为室温，待温度稳定后，打开银源的挡板，在 衬底上沉积0.5nm厚的银薄膜。

步骤3：将衬底温度设为250℃，待温度稳定后保持10小时。

步骤4：将衬底温度升至600℃，待温度稳定后保持20分钟，使得 沉积的银薄膜在衬底表面形成分散且直径为11nm左右的银纳米颗粒。

步骤5：将铟源升至850℃，将砷源升至295℃，使砷化铟纳米线生 长时砷源和铟源的束流比为20。

步骤6：将衬底温度降至砷化铟纳米线的生长温度：480℃。

步骤7：待温度稳定后，同时打开铟源和砷源的挡板，在沉积的银纳 米颗粒上以气-液-固生长机制生长超细砷化铟纳米线。

步骤8：生长结束后，先关铟源挡板，当衬底温度降至300℃以下再 关砷源挡板，完成砷化铟纳米线的制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。