本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直徑可調(diào)鉍納米線(xiàn)陣列的制備方法。

背景技術(shù)：

納米線(xiàn)是一種直徑大小為納米數(shù)量級(jí)的納米結(jié)構(gòu)，也可以指高長(zhǎng)寬比(1000以上)的納米結(jié)構(gòu)，或者定義為長(zhǎng)度沒(méi)有限制、直徑限制在幾十納米以?xún)?nèi)的結(jié)構(gòu)。在納米尺度下，量子效應(yīng)比較明顯，具有不同于塊狀或三維材料的獨(dú)特性質(zhì)，使其受到了人們的廣泛關(guān)注。

鉍(Bi)納米線(xiàn)因?yàn)槠涮赜械牟祭餃Y區(qū)各向異性電子能帶，其量子限制效應(yīng)可以通過(guò)納米線(xiàn)的直徑來(lái)高效調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)半金屬到半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換，這對(duì)獲得高的熱電轉(zhuǎn)換效率具有重要的價(jià)值。因此，調(diào)控Bi納米線(xiàn)的直徑就成了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的Bi納米線(xiàn)制備技術(shù)，主要有多孔氧化鋁模板法、采用Bi薄膜的自生長(zhǎng)法、電子束刻蝕法等，均需要借助外界模板獲得不同直徑的Bi納米線(xiàn)，價(jià)格昂貴，生長(zhǎng)工藝復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，提出了一種簡(jiǎn)單易行的直徑可調(diào)鉍納米線(xiàn)陣列的制備方法。本發(fā)明方法可實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體襯底上制備大面積的直徑在20～300nm范圍可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列，且得到的鉍納米線(xiàn)陣列在250～800nm光波長(zhǎng)范圍的吸收率大于80％，在高效光電轉(zhuǎn)換器件和光電探測(cè)器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值；并且本發(fā)明提供的直徑可調(diào)鉍納米線(xiàn)陣列的制備方法簡(jiǎn)單易行，能夠與半導(dǎo)體工藝兼容。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列，如圖2所示，自下而上依次為半導(dǎo)體基片、鉍納米線(xiàn)陣列、錫納米液滴，所述錫納米液滴位于鉍納米線(xiàn)頂端；所述鉍納米線(xiàn)陣列的直徑通過(guò)錫納米液滴的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，長(zhǎng)度通過(guò)生長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體基片為拋光單晶基片，具體為硅或鍺等，其表面粗糙度低于0.5nm。

一種直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的制備方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、清洗半導(dǎo)體基片：將半導(dǎo)體基片依次在氫氟酸溶液、去離子水、丙酮中超聲清洗，氮?dú)獯蹈桑?/p>

步驟2、通過(guò)分子束外延的方式在步驟1清洗干凈的半導(dǎo)體基片上生長(zhǎng)直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列：

2-1.將半導(dǎo)體基片裝入分子束外延腔室，抽真空至10^-10Torr以下；

2-2.將錫源以每分鐘7℃的速度升溫至1000～1100℃，鉍源以每分鐘3℃的速度升溫至450～500℃，半導(dǎo)體基片以每分鐘5℃的速度升溫至300～350℃；

2-3.打開(kāi)錫源，同時(shí)基片以0.2～2轉(zhuǎn)/秒的速度勻速旋轉(zhuǎn)，以保證錫納米液滴的均勻性；

2-4. 5～30min后關(guān)閉錫源，即可得到直徑從20～300nm可調(diào)的錫納米液滴，然后打開(kāi)鉍源，基片仍然以0.2～2轉(zhuǎn)/秒的速度勻速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)錫納米液滴誘導(dǎo)生長(zhǎng)鉍納米線(xiàn)陣列；

2-5. 120～240min后關(guān)閉鉍源，然后將半導(dǎo)體基片、錫源和鉍源以每分鐘7℃的速度降溫至常溫，即可得到本發(fā)明所述直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列。

進(jìn)一步地，步驟2所述錫源為純度不低于99.99wt％的錫，所述鉍源為純度不低于99.99wt％的鉍。

本發(fā)明還提供了上述直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列在高靈敏度光電探測(cè)器以及太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。

本發(fā)明制備鉍納米線(xiàn)陣列的原理為：在較高的基片溫度下，利用錫的熔點(diǎn)低的物性，在半導(dǎo)體基片表面形成直徑在納米量級(jí)的金屬錫液滴，作為后續(xù)鉍納米線(xiàn)生長(zhǎng)的催化劑；然后在這些納米液滴的基礎(chǔ)上沿著垂直基片方向生長(zhǎng)鉍，形成鉍納米線(xiàn)陣列。鉍納米線(xiàn)陣列的直徑可通過(guò)錫納米液滴的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，長(zhǎng)度通過(guò)生長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)，生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)需借助外界模板，工藝簡(jiǎn)單，且錫成本較低，易于實(shí)現(xiàn)大面積制備生產(chǎn)。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明采用超高真空(小于10^-10Torr)分子束外延技術(shù)，利用納米級(jí)尺寸的錫液滴作為催化劑，在半導(dǎo)體基片上生長(zhǎng)直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列，具有制備方法簡(jiǎn)單、鉍納米線(xiàn)直徑可在20～300nm范圍調(diào)節(jié)、能夠大面積生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，且該方法制備的鉍納米線(xiàn)陣列在250～800nm波長(zhǎng)范圍的光學(xué)吸收率大于80％，在超薄光電探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的制備方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的生長(zhǎng)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例得到的直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的原子力顯微鏡測(cè)試結(jié)果；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例得到的直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的光學(xué)吸收率測(cè)試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例

一種直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列，如圖2所示，包括半導(dǎo)體基片、鉍納米線(xiàn)陣列、錫納米液滴，所述鉍納米線(xiàn)位于半導(dǎo)體基片和錫納米液滴之間，所述錫納米液滴位于鉍納米線(xiàn)頂端；所述鉍納米線(xiàn)陣列的直徑通過(guò)錫納米液滴的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，長(zhǎng)度通過(guò)鉍的生長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)。

一種直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的制備方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、清洗硅基片：

1-1.將硅基片在氫氟酸與去離子水的體積比為1:10的氫氟酸溶液中超聲清洗15min；

1-2.將上步處理后的硅基片在去離子水中超聲清洗10min；

1-3.將上步處理后的硅基片在丙酮中超聲清洗15min，然后采用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?/p>

步驟2、通過(guò)分子束外延的方式在步驟1清洗干凈的硅基片上生長(zhǎng)直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列：

2-1.將硅基片裝入分子束外延腔室，通過(guò)機(jī)械泵、分子泵、液氦冷凝泵三級(jí)真空泵抽真空至10^-10Torr以下；

2-2.將錫源以每分鐘7℃的速度升溫至1100℃，鉍源以每分鐘3℃的速度升溫至500℃，硅基片以每分鐘5℃的速度升溫至350℃；

2-3.打開(kāi)錫源，同時(shí)基片以0.2轉(zhuǎn)/秒的速度勻速旋轉(zhuǎn)，以保證錫納米液滴的均勻性；

2-4. 7min后關(guān)閉錫源，然后打開(kāi)鉍源，基片仍然以0.2轉(zhuǎn)/秒的速度勻速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)鉍原子將聚集在錫納米液滴所在的位置，并沿著垂直基片方向生長(zhǎng)形成納米線(xiàn)陣列；

2-5. 200min后關(guān)閉鉍源，然后將半導(dǎo)體基片、錫源和鉍源以每分鐘7℃的速度降溫至常溫，即可得到本發(fā)明所述直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列。

圖3為實(shí)施例得到的直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的原子力顯微鏡測(cè)試結(jié)果；由如圖3可知，實(shí)施例得到了分布均勻的鉍納米線(xiàn)陣列，長(zhǎng)度約為200nm，半徑約為20nm。圖4為實(shí)施例得到的直徑可調(diào)的鉍納米線(xiàn)陣列的光學(xué)吸收率測(cè)試結(jié)果，表明得到的鉍納米線(xiàn)陣列在250～800nm范圍內(nèi)的光學(xué)吸收率高于80％，在高效光電轉(zhuǎn)換器件和光電探測(cè)器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。