砷化鎵納米線陣列及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種砷化鎵納米線陣列及其制備方法。陣列由垂直于基底上的有序砷化鎵納米線組成，其中，基底為石英襯底的表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層，砷化鎵納米線的線直徑為70～90nm、線長≥1μm，其一端與晶向?yàn)?111)的硅多晶層連接、另一端連接有金納米顆粒；方法為先對清潔后的石英襯底蒸鍍鋁層和非晶硅層，再將其真空下退火后置于稀鹽酸溶液中去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底，接著，先于其上蒸鍍金膜后，將其置于580～620℃下退火，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底，再將其置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、530～570℃下生長，制得目的產(chǎn)物。它結(jié)構(gòu)合理，易于商業(yè)化應(yīng)用。
【專利說明】砷化鎵納米線陣列及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米線陣列及制備方法，尤其是一種砷化鎵納米線陣列及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于在高效率光伏、光探測器和高靈敏度生物傳感器等方面潛在的應(yīng)用前景，砷化鎵納米線已成為化合物半導(dǎo)體材料的研宄熱點(diǎn)之一。目前，人們?yōu)榱双@得砷化鎵納米線，做出了不懈的努力，如中國發(fā)明專利申請CN 103320866 A于2013年9月25日公布的一種Bi元素調(diào)控GaAs基納米線晶體結(jié)構(gòu)的分子束外延生長方法。該生長方法雖也能獲得砷化鎵納米線，然因其使用的襯底為(Ill)B方向的砷化鎵襯底，而使砷化鎵納米線的制備成本極難降低，極大地限制了砷化鎵納米線的商業(yè)化應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)合理、易于應(yīng)用的砷化鎵納米線陣列。
[0004]本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問題為提供一種上述砷化鎵納米線陣列的制備方法。
[0005]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為:砷化鎵納米線陣列包括砷化鎵納米線，特別是，
[0006]所述陣列由垂直于基底上的有序砷化鎵納米線組成；
[0007]所述基底為石英襯底的表面覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層；
[0008]所述砷化鎵納米線的線直徑為70?90nm、線長彡Ιμπι，其一端與晶向?yàn)?111)的硅多晶層連接、另一端連接有金納米顆粒；
[0009]所述晶向?yàn)?111)的硅多晶層的厚度為180?220nm ；
[0010]所述金納米顆粒的粒徑為I?10nm。
[0011]作為砷化鎵納米線陣列的進(jìn)一步改進(jìn):
[0012]優(yōu)選地，金納米顆粒的粒徑為I?5nm時(shí)，砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦。
[0013]優(yōu)選地，金納米顆粒的粒徑為6?1nm時(shí)，砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦。
[0014]為解決本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問題，所采用的另一個(gè)技術(shù)方案為:上述砷化鎵納米線陣列的制備方法包括分子束外延法，特別是完成步驟如下:
[0015]步驟1，先對石英襯底進(jìn)行清潔處理，再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍180?220nm厚的鋁層和非晶硅層；
[0016]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度< 10_3Pa、530?570°C下退火至少12h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底；
[0017]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍I?1nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于580?620°C下退火至少lh，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底；
[0018]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、530?570°C下生長至少lh，制得砷化鎵納米線陣列。
[0019]作為砷化鎵納米線陣列的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn):
[0020]優(yōu)選地，清潔處理的過程為，先依次將石英襯底置于混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，再對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗至少2次。
[0021]優(yōu)選地，混合酸溶液由12wt%的鉻酸(K2CrO7)溶液、98wt%的硫酸(H2SO4)溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制。
[0022]優(yōu)選地，稀鹽酸溶液的濃度為8?12wt%。
[0023]相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:
[0024]其一，對制得的目的產(chǎn)物分別使用掃描電鏡和透射電鏡進(jìn)行表征，由其結(jié)果可知，目的產(chǎn)物為由垂直于基底上的有序砷化鎵納米線組成的砷化鎵納米線陣列。其中，基底為石英襯底的表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層；砷化鎵納米線的線直徑為70?90nm、線長彡I ym，其一端與晶向?yàn)?111)的硅多晶層連接、另一端連接有金納米顆粒；晶向?yàn)?111)的娃多晶層的厚度為180?220nm ;金納米顆粒的粒徑為I?10nm。當(dāng)金納米顆粒的粒徑為I?5nm時(shí)，砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦，當(dāng)金納米顆粒的粒徑為6?1nm時(shí)，砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦。這種由有序砷化鎵納米線垂直于表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上組裝成的目的產(chǎn)物，既由于石英襯底的價(jià)廉物美而大大地降低了制備的成本；又因晶向?yàn)?111)的硅多晶層的存在而解決了石英襯底上砷化鎵納米線制備的方向和晶體結(jié)構(gòu)可控的難題；還由于通過控制金納米顆粒的粒徑，改變了金輔助生長過程中砷化鎵納米線初始形核位置，有效地控制了納米線晶體結(jié)構(gòu)從纖鋅礦向閃鋅礦的轉(zhuǎn)變。
[0025]其二，制備方法科學(xué)、有效。不僅制得了結(jié)構(gòu)合理、易于應(yīng)用的目的產(chǎn)物——砷化鎵納米線陣列，還有著制備成本低的特點(diǎn)。尤為突出的是，使用廉價(jià)的石英襯底，通過引入
(111)方向多晶硅緩沖層，實(shí)現(xiàn)了低成本下制備砷化鎵納米線的方向和晶體結(jié)構(gòu)可控，為砷化鎵納米線的商業(yè)化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是對制得的目的產(chǎn)物使用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行表征的結(jié)果之一。SEM圖像顯示出目的產(chǎn)物為垂直有序的砷化鎵納米線陣列。
[0027]圖2是對組成目的產(chǎn)物的單根砷化鎵納米線使用透射電鏡(TEM)進(jìn)行表征的結(jié)果之一。TEM圖像表明了該單根砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦。
[0028]圖3是對組成目的產(chǎn)物的單根砷化鎵納米線使用透射電鏡進(jìn)行表征的結(jié)果之一。TEM圖像表明了該單根砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0030]首先從市場購得或自行制得:
[0031]絡(luò)酸溶液；硫酸溶液；濃度為8?12wt%的稀鹽酸溶液。
[0032]接著，
[0033]實(shí)施例1
[0034]制備的具體步驟為:
[0035]步驟1，先依次將石英襯底置于由12wt%的鉻酸溶液、98wt%的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制成的混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，隨后對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗2次。再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍180nm厚的銷層和非晶娃層。
[0036]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度為10_3Pa、530°C下退火13h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底。再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于8wt%的稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底。
[0037]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍Inm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于580°C下退火2h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層和金納米顆粒的石英襯底。
[0038]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、530°C下生長3h，制得近似于圖1和圖2所示的砷化鎵納米線陣列。
[0039]實(shí)施例2
[0040]制備的具體步驟為:
[0041]步驟1，先依次將石英襯底置于由12wt%的鉻酸溶液、98wt%的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制成的混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，隨后對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗3次。再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍200nm厚的鋁層和非晶硅層。
[0042]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度為5X10_3Pa、550°C下退火12.5h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底。再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于10被％的稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底。
[0043]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍3nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于600°C下退火1.5h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層和金納米顆粒的石英襯底。
[0044]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、550°C下生長2h，制得如圖1和圖2所示的砷化鎵納米線陣列。
[0045]實(shí)施例3
[0046]制備的具體步驟為:
[0047]步驟1，先依次將石英襯底置于由12wt%的鉻酸溶液、98wt%的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制成的混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，隨后對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗2次。再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍220nm厚的鋁層和非晶硅層。
[0048]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度為10_4Pa、570°C下退火12h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底。再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于12被％的稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底。
[0049]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍5nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于620°C下退火lh，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層和金納米顆粒的石英襯底。
[0050]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、570°C下生長lh，制得近似于圖1和圖2所示的砷化鎵納米線陣列。
[0051]實(shí)施例4
[0052]制備的具體步驟為:
[0053]步驟1，先依次將石英襯底置于由12wt%的鉻酸溶液、98wt%的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制成的混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，隨后對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗2次。再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍180nm厚的銷層和非晶娃層。
[0054]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度為10_3Pa、530°C下退火13h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底。再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于8wt%的稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底。
[0055]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍6nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于580°C下退火2h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層和金納米顆粒的石英襯底。
[0056]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、530°C下生長3h，制得近似于圖1和圖3所示的砷化鎵納米線陣列。
[0057]實(shí)施例5
[0058]制備的具體步驟為:
[0059]步驟1，先依次將石英襯底置于由12wt%的鉻酸溶液、98wt%的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制成的混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，隨后對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗3次。再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍200nm厚的鋁層和非晶硅層。
[0060]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度為5X10_3Pa、550°C下退火12.5h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底。再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于10被％的稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底。
[0061]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍8nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于600°C下退火1.5h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層和金納米顆粒的石英襯底。
[0062]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、550°C下生長2h，制得如圖1和圖3所示的砷化鎵納米線陣列。
[0063]實(shí)施例6
[0064]制備的具體步驟為:
[0065]步驟1，先依次將石英襯底置于由12wt%的鉻酸溶液、98wt%的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制成的混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，隨后對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗2次。再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍220nm厚的鋁層和非晶硅層。
[0066]步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度為10_4Pa、570°C下退火12h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底。再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于12被％的稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底。
[0067]步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍1nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于620°C下退火lh，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層和金納米顆粒的石英襯底。
[0068]步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、570°C下生長lh，制得近似于圖1和圖3所示的砷化鎵納米線陣列。
[0069]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的砷化鎵納米線陣列及其制備方法進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種砷化鎵納米線陣列，包括砷化鎵納米線，其特征在于: 所述陣列由垂直于基底上的有序砷化鎵納米線組成； 所述基底為石英襯底的表面覆有晶向?yàn)?111)的娃多晶層； 所述砷化鎵納米線的線直徑為70?90nm、線長彡I μ m，其一端與晶向?yàn)?111)的娃多晶層連接、另一端連接有金納米顆粒； 所述晶向?yàn)?111)的硅多晶層的厚度為180?220nm ； 所述金納米顆粒的粒徑為I?10nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化鎵納米線陣列，其特征是金納米顆粒的粒徑為I?5nm時(shí)，砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化鎵納米線陣列，其特征是金納米顆粒的粒徑為6?1nm時(shí)，砷化鎵納米線的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦。
4.一種權(quán)利要求1所述砷化鎵納米線陣列的制備方法，包括分子束外延法，其特征在于完成步驟如下: 步驟I，先對石英襯底進(jìn)行清潔處理，再使用電子束蒸發(fā)法于其上依次分別蒸鍍180?220nm厚的銷層和非晶娃層； 步驟2，先將其表面依次覆有鋁層和非晶硅層的石英襯底置于真空度< 10_3Pa、530?570°C下退火至少12h，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和鋁層的石英襯底置于稀鹽酸溶液中浸泡去除鋁層，得到其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底； 步驟3，先使用電子束蒸發(fā)法于其表面覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層的石英襯底上蒸鍍I?1nm厚的金膜，再將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金膜的石英襯底置于580?620°C下退火至少lh，得到其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底； 步驟4，將其表面依次覆有晶向?yàn)?111)的硅多晶層和金納米顆粒的石英襯底置于分子束外延系統(tǒng)中，于打開砷和鎵源、530?570°C下生長至少lh，制得砷化鎵納米線陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砷化鎵納米線陣列的制備方法，其特征是清潔處理的過程為，先依次將石英襯底置于混合酸溶液中浸泡和使用去離子水清洗后吹干，再對其分別使用氧等離子體和氫等離子體清洗至少2次。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的砷化鎵納米線陣列的制備方法，其特征是混合酸溶液由12wt%的鉻酸溶液、98?丨％的硫酸溶液和水按照重量比為1:20:2的比例配制。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砷化鎵納米線陣列的制備方法，其特征是稀鹽酸溶液的濃度為 8 ?12wt%。
【文檔編號】B82B1/00GK104445057SQ201410764647
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】李新化, 史同飛, 劉敏, 周步康, 馬文霞, 王玉琦 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院