一种低成本无污染单根硼氮纳米线可控生长方法

摘要

一种低成本无污染单根硼氮纳米线可控生长方法属于无机化合物半导体材料的制备领域。本发明采用PECVD方法，未使用任何催化剂，首次在硅衬底上水平生长出了规则排列的硼氮纳米线。纳米线在Si(110)衬底上仅沿着一个方向生长；在Si(100)衬底上生长的纳米线互相垂直；在Si(111)衬底上纳米线有三个生长方向，且任意两个方向之间的夹角为60°。通过不同硅衬底表面晶体微结构特征以及电镜分析，发现纳米线总是在基底表面沿着Si取向定向生长。TEM显示纳米线是由一系列生长进衬底里的非晶量子点组成，电子能量损失谱(EELS)表明纳米线确实由硼氮组成。本发明简单，将对推动纳米器件的制造具有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明为一种低成本低污染单根硼氮纳米线可控生长方法，属于无机化 合物半导体材料的制取与生成方法的技术领域。

背景技术

氮化硼是一种十分重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物，主要有四种结构：六方氮化硼 (h-BN)、立方氮化硼(c-BN)、纤锌矿结构氮化硼(w-BN)和三方氮化硼 (r-BN)。它具有良好化学稳定性、宽带隙、高热导率、抗氧化性等优异的 物理化学性能。在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的 应用前景。因此，氮化硼纳米材料的制备、纳米结构的表征、纳米器件的组 装、氮化硼增韧陶瓷以及光、电学性能的测试等成为当今无机纳米材料领域 中的重要研究方向，许多国家投入了大量的资金对其进行研究。

氮化硼纳米材料由于其独特的结构与光电学性能，有着巨大的应用前景。 目前，通过化学气相沉积法方法已经能制得大量的硼氮纳米线、纳米管以及 一些二维纳米片等。但是，这些方法都有着比较严重的缺陷，比如，目前氮 化硼纳米材料制备还是以具有腐蚀性的氨气为主，而且使用硼烷、三聚氰胺 等有毒有害的原料；制备出的纳米线形貌不规则、取向不可控；不利于大规 模生产的实现等。

发明内容

本发明的目的是采用一种新的低成本低污染方法制备取向可控的硼氮纳 米线，即在等离子体辅助的化学气相沉积系统中，以氧化硼为原料，电离氮 气和氢气的方法取代氨气，直接在硅衬底上制备出取向可控生长的非晶硼氮 纳米线，对推动纳米电子器件的制备具有重要意义。而且本发明制备工艺十 分简单，没有使用有毒有害原料，成本低廉，为实现大规模的工业生产提供 了可能。

本发明的目的是采用一种新的低成本低污染制备生成方法制备取向可控 的非晶硼氮纳米线的方法，包括以下步骤：

(1)把氧化硼粉末置于石英舟中，将纳米线生长基底覆盖于石英舟上， 然后将石英舟放入管式炉中；

(2)对管式炉进行抽真空，当真空度低于10Pa后，通入氮气；

(3)在N₂气氛中升温到800-1100℃；

(4)达到所需温度后，通入氢气，调整N₂和H₂，流量比例为1:1至4:1， 打开射频电源，将射频功率调到60W，对气体进行放电，此时气压为30-100Pa， 反应时间1个小时；

(5)反应结束后，关闭射频与停止通入氢气，冷却到室温后即在基底上 获得沿某种取向生长的单根BN纳米线。

进一步步骤(1)中，使用不同晶面取向的硅衬底覆盖在石英舟上来调控 纳米线的生长方向。

本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明使用无毒无污染的原料，简单的设备，制备出了在硅衬底上 沿水平方向生长的硼氮纳米线，其直径大约为150nm，长度能达到10μm以上；

(2)在Si(100)衬底上，纳米线沿着两个方向生长，且这两个方向互相垂 直；在Si(110)衬底上，纳米线只沿着一个方向生长；在Si(111)衬底上， 纳米线沿着三个方向生长，任意两个方向的夹角为60°。通过不同取向硅衬底 表面晶体微结构特征以及电镜分析，发现纳米线总是在基底表面沿着Si<110> 取向定向生长。

附图说明

图1为实施例1中制备的Si(100)衬底生长的硼氮纳米线的SEM图谱，从 图上我们可以看到两个方向生长的纳米线互相垂直；

图2为实施例1中制备的Si(100)衬底生长的硼氮纳米线的AFM图谱， 从图上可以看到纳米线宽度大概在200nm左右，高度在10nm左右；

图3为实施例6中制备的Si(110)衬底生长的硼氮纳米线的SEM图谱，从 图上可以看到纳米线只沿着一个方向生长；

图4为实施例6中制备的Si(111)衬底生长的硼氮纳米线的SEM图谱，从 图上可以看到纳米线有三个生长方向，且任意两个方向的夹角为60°；

图5为实施例6中制备的硼氮纳米线的取向与衬底的关系图，(a)和(d)表 明，在Si(100)衬底上，纳米线沿Si[011]和Si[0-11]方向生长；(b)和(e)表明， 在Si(110)衬底上，纳米线只沿着Si[1-10]方向生长；(c)和(f)表明，在Si(111) 衬底上，纳米线沿着Si[-101]，Si[1-10]和Si[0-11]方向生长。总而言之，在不 同取向的硅衬底上，纳米线都是沿着Si<110>方向取向生长；

图6为实施例1中制备的硼氮纳米线的轴向TEM图谱，(a)为Si(100) 衬底上单根纳米线的轴向TEM图，从图上可以看出纳米线是由一个个非晶量 子点组成；(b)为纳米线的局部放大图，从图中可以看到量子点生长进衬底 里；(c)是非晶硼氮纳米线内含有的一些六方氮化硼的小晶粒；

图7为图6中所示的单根硼氮纳米线的电子能量损失图谱(EELS)，结 果表明纳米线确实含有硼氮两种元素。实施例1-7均有这样的图谱出现。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明做进一步说明，本发明绝非局限于所陈述的实 例。

实施例1：

(1)取规格为88mm×15mm×9mm的石英舟，将三分之一石英舟高度的 氧化硼粉末铺在石英舟内，将取向为Si(100)硅衬底盖在石英舟上，然后将石 英舟放入管式炉中；

(2)对管式炉进行抽真空，真空度小于10Pa后，通入N₂，流量为20sccm；

(3)设定管式炉以10℃每分钟的升温速率，在N₂气氛中升温到1000℃，

(4)温度达到1000℃后，通入H₂，流量为10sccm，N₂和H₂流量比为 2:1。

(5)打开射频电源，将射频功率调到60W，对气体进行放电，此时气压 在45Pa，反应时间1个小时；

(6)1个小时后，关闭射频电源，关闭氢气，样品在氮气气氛中冷却到 450℃后，关闭电源，样品自然冷却到室温。

反应结束后，在衬底上制备出了沿两个方向生长的纳米线，并且这两个 方向互相垂直，其SEM图见图1.

实施例2：

将温度升至800℃，其余条件与实施例1一致，在Si(100)衬底上生成 与实施例1类似的纳米线产物。

实施例3：

将温度升至1100℃，其余条件与实施例1一致，在Si(100)衬底上生成 与实施例1类似的纳米线产物。

实施例4：

将N₂的速率调整为10sccm，此时N₂和H₂流量比为1:1，此时反应气压 为30Pa，其余条件与实施例1一致，在Si(100)衬底上生成与实施例1类似 的纳米线产物。

实施例5：

将N₂的速率调整为40sccm，此时N₂和H₂流量比为4:1，此时反应气压 为60Pa，温度升至1000℃，其余条件与实施例1一致，在Si(100)衬底上生成 与实施例1类似的纳米线产物。

实施例6：

一次性将Si(100),Si(110)和Si(111)衬底覆盖在同一石英舟上进行实验， 实验条件与实施例1一致。在Si(100)衬底上生成的纳米线与实施例1一致； 在Si(110)衬底上生成的纳米线只沿一个方向生长，其SEM图见图3；在Si(111) 衬底上制备出的纳米线有三个生长方向，且任意两个方向的夹角为60°,其 SEM图见图4。