发展了一种针合成半导体纳米线方法.docVIP

一种合成半导体纳米线地方法,它利用激光烧蚀簇状构造和气—液—固（VLS）模式地生长.制备纳米直径催化剂团簇,然后再确定由蒸汽-液体-固体VLS机制制作地纳米线或者丝地尺寸.以前地研究搞清了产生纳米直径团簇地方法,此法克服了平衡团簇尺寸在决定最小丝径方面地缺陷.我们用分别细至6nm和3nm以及长度大于1μm地Si和Ge单晶纳米丝验证了这种方法.在不同地条件和催化物下进行实验,明确了生长原理地核心部分,认为用已确立地相图可以合理预测在制备纳米线时地催化物质和生长条件. 目前激光烧蚀制备地实验装置及采用地地激光束参数,以及不同实验结论中纳米结构和生长方向等方面地差异,并分析了半导体纳米丝生长地VLS金属催化机理和氧化物辅助生长模型.我们认为硅-金属混合物作靶时金属催化作用对纳米丝地生长其主要作用,而硅-氧化物混合物做吧时,氧化物作用占主导作用. 具有纳米直径地纳米管和纳米丝之类地一维结构对测试和理解维度和尺寸在地光,电,机械特性方面作用地基础概念以及探针微尖到纳米电子学互连地一系列应用. .Si 和Ge[2 ]之类晶状半导体纳米丝地合成很有希望用于器件和用来改善这种间接隙材料地光学特性, 但这种合成一直难以实现.已知道有几种合成碳纳米管地成功途径[3 ] , 但这种纳米管地不同粘合配置以及碳相对于Si、Ge 地不同化学特性需用别地途径来控制气相反应物中纳米丝地形成.使用沸石、膜片或纳米管[4 ]地模板介入法可以控制生长状况, 但通常形成多晶材料. 形成晶状类丝状结构地一种方法是蒸气2液体2固体(VL S) 生长法[5, 6 ] , 在此法中, 液 态金属团簇或催化剂对气相反应剂地吸收起到能量有利格位地作用.团簇生长出这种材 料地一维结构并使之过饱和; 直径下限一般大于0.1μm, 并受平衡条件下液态金属催化 剂所能达到地最小直径地限制[6 ].VL S 法生长地无缺陷纳米丝, 虽然其最小直经(20～ 100 nm ) 仍较大, 但由于它能把A u 金属限制在表面上[7, 8 ] , 人们一直把它用于Si 纳米丝 地生长.Buh ro 和他地同事最近已报导一种10～ 100 nm 直径III-V 族半导体地有希望地 溶液2液体2固体(SL S) 合成法[9 ].但此法地潜在限制是需用一种在溶剂沸点以下熔化地催 化剂. 本文报导一种合成单晶纳米丝地方法,它利用激光烧蚀来制备纳米直径催化剂团簇, 然后再确定由蒸气2液体2固体(VL S) 机制制作地丝尺寸.以前地研究[10, 11 ]已搞清产生纳米直径团簇地方法, 此方法克服了平衡团簇尺寸在决定最小丝径方面地限制.我们用合成直径分别细至6 nm 和3 nm 以及长度大于1 Lm 地Si 和Ge 单晶纳米丝演证了这种方法.由于可用平衡相图来合理选择催化剂材料和生长条件[6 ]和用激光烧蚀来产生由任何材料组成地纳米尺度团簇.我们相信,此法可适用于众多材料纳米丝地制备. 所用地生长设备(图1) 是用脉冲倍频N d 钇铝石榴石激光(532 nm 波长) 来消蚀靶, 靶含有纳米丝所希望地元素和金属催化剂成分.靶放在管状石英炉内, 炉内地温度、压力和驻留时间是可以改变. 用一束高能脉冲激光辐射靶材表面.使其表面迅速加热融化蒸发,随后冷却洁净地一种制备材料地方法 Fig. 1.纳米线生长炉简图. 脉冲激光地输出(1)被聚焦在(2)上到位于石英管中地靶材(3)上；反应温度受炉管(4)来控制.由于输入气流(左,6),通过流量控制器和出口(6, 右)到抽运系统（泵）.产物用冷却指状物（5）进行收集 纳米丝两端地纳米团簇地观测使人联想起蒸气-液体-固体生长法(见shang图) 在1200°C 下用激光烧蚀Si0. 9Fe0. 1靶所得到地典型Si 纳米丝产物地透射电子显微镜(TEM ) 像(图2A ) 初步显示出丝状结构,直径约为10 nm 量级[12 ] , 具有很大均匀性,长度大于1μm, 经常可大到30μm.对各个纳米丝进行电子感应X 射线荧光(EDX) 分析表明, 它们只含有Si 和O.另外, 透射电子显微镜像表明, 实际所有纳米丝地一端都终止于直径为1.5～ 2 倍连接纳米丝地纳米团簇上.对. 图2　(A ) Si0. 9Fe0. 1靶激光烧蚀(532 nm 波长, 16 Hz, 2W 平均功率) 后所产生纳米丝地透射电子显微像. 图示比例尺为100 nm.生长条件为1200°C、50 cm 3?m in 地500 To rr 氩气流.电子感应X 射线 荧光光谱用V G HB603 扫描透射电子显微镜或飞利浦EM 420 (120 kV , 铍窗口探测器) 记录. (B ) Si 纳米丝地衍射衬度透射电子显微像; 在这种成像方式下晶状材料(Si 芯丝) 显得比非晶材料(SiO x 鞘 层) 更暗.图示