一種制備特定形貌和晶體結(jié)構(gòu)的InAs納米線的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制備InAs納米線的方法，特別是涉及采用化學氣相沉積法可控 性的制備特定形貌和晶體結(jié)構(gòu)的InAs納米線，屬于半導體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導體工業(yè)的發(fā)展，納米材料由于其特殊的性質(zhì)和廣泛的用途，長期以來受 到科學領(lǐng)域及社會各界的廣泛關(guān)注。III-V族半導體納米線由于其優(yōu)越的電學和光學特性， 使其在納米電子器件、納米光子器件、量子器件、生物傳感和檢測、納米物理與化學等方面 具有巨大的應用價值。InAs納米線作為一種重要的III-V族納米線，具有窄直接帶隙，高電 子迀移率，低有效質(zhì)量以及很大的激子波爾半徑等特點，近年來也成為研究的熱點。目前基 于InAs納米線已經(jīng)成功制備出很多新奇的器件，包括納米線場效應晶體管，超導器件，量 子器件，中紅外激光探測器以及傳感器等等。
[0003] InAs納米線能在未來納電子學和光電子學中得到充分應用的前提是能夠在生長 的過程中有效控制納米線的形貌和晶體結(jié)構(gòu)。然而，孿晶缺陷、堆疊層錯和閃鋅礦（ZB)-纖 鋅礦（WZ)的多型現(xiàn)象在InAs納米線中很常見，這使得在生長過程中精確控制納米線的形 貌和晶體結(jié)構(gòu)成為挑戰(zhàn)。目前，主流的生長InAs納米線的方法是基于氣-液-固（VLS)生 長機制的外延生長。例如分子束外延（MBE)和金屬有機氣象外延（MOVPE)，通過這些生長 技術(shù)，不僅可以制備符合各種尺寸要求的納米線，還可以系統(tǒng)研究生長參數(shù)對InAs納米線 的形貌和晶體結(jié)構(gòu)的影響，例如生長溫度，V族/III族元素含量比，納米線直徑，催化劑，摻 雜，襯底等等。
[0004] 目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究組具備了在硅襯底上生長InAs納米線的能力， 并系統(tǒng)研究了生長工藝參數(shù)對納米線的影響。瑞典Lund大學的Philippe Caroff等 人在 Nature Nanotechnology. 2009,4,50 發(fā)表的題為"Controlled polytypic and twin-plane superlattices in III -V nanowires" 的文章中，公布 了利用 MOVPE 技 術(shù)通過改變生長溫度來控制InAs納米線的晶體結(jié)構(gòu)的改變；在Applied Physics Letters. 2013, 103, 073109,題為"Quality ofepitaxial InAs nanowires controlled by catalyst size in molecular beam epitaxy" 的文章顯;^:，澳大利亞昆士蘭大學的 Zhang Zhi等人利用MBE技術(shù)，通過調(diào)控催化劑顆粒的尺寸進而控制InAs納米線的直徑和晶體結(jié) 構(gòu)。
[0005] 另外，化學氣相沉積（CVD)技術(shù)也是生長InAs納米線的一種重要方法。CVD是 指直接利用氣體或者通過各種方法將物質(zhì)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生化學反應，最 后在冷卻過程中凝聚形成低維材料的方法D約翰·霍普金斯大學（The Johns Hopkins University)的 Η· D. Parkds 等人在 Applied Physics Letters. 2005, 87, 063110 發(fā)表的 題為"Growth of epitaxial InAs nanowires in a simple closed system" 的文章中介 紹了用一個簡單的密封石英管來制備InAs納米線的方法D湖南大學Ren Pinyun等人在 Nano-Micro Lett. 2014, 6, 301-306 題為 "Synthesis and Diameter-dependent Thermal Conductivity oflnAs Nanowires"的文章中也詳細介紹了用CVD管式爐制備InAs納米線 的原理和方法。相比于其他外延生長的技術(shù)，CVD生長InAs納米線的優(yōu)勢在于成本非常低， 靈活多變，短時間內(nèi)可批量制備，且在生長的過程中不會引入其他雜質(zhì)元素和有毒氣體。而 MOVPE法常使用劇毒的AsH3氣體作為砷源，特殊的金屬有機物作為銦源，對人員和環(huán)境具 有較高危險性，對制備工藝有較高的要求，難以實現(xiàn)納米線的大量制備。然而，在CVD法制 備InAs納米線的過程中，納米線生長對于反應環(huán)境的要求十分苛刻，納米線的形貌、直徑、 生長方向、結(jié)晶度、晶體結(jié)構(gòu)等等對于環(huán)境因素的依賴性很大，由于在該方法中可調(diào)控的環(huán) 境參數(shù)很多，比如溫度、襯底、催化劑、腔室壓強、載氣流量等等，使得在納米線制備的過程 中偶然性因素較多，很難實現(xiàn)根據(jù)需求精確控制生長特定形貌和晶體結(jié)構(gòu)的納米線，因此 CVD法可控性很差，重復率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是用CVD技術(shù)制備出不同形貌和晶體結(jié)構(gòu)的InAs納米線，重點是通 過調(diào)節(jié)載氣流量速率（以下簡稱流速），實現(xiàn)控制生長特定形貌和晶體結(jié)構(gòu)的InAs納米線。
[0007] 本發(fā)明一種制備特定形貌和晶體結(jié)構(gòu)的InAs納米線的方法，包括：
[0008] 對InAs粉末進行加熱使其分解得到前驅(qū)物In原子和As原子，通過載氣將前驅(qū) 物運輸?shù)奖砻娓街写呋瘎┑囊r底上并在襯底上進行沉積，在催化劑的作用下誘導生長出 InAs單晶納米線，通過使用不同的載氣流速分別生長出不同形貌和晶體結(jié)構(gòu)的InAs納米 線。
[0009] 進一步地，所述InAs粉末的純度為99. 999%。
[0010] 進一步地，在壓強為100_150Torr，溫度為850±10°C下的條件下對InAs粉末進行 加熱。
[0011] 進一步地，沉積溫度為400-500 °C。
[0012] 進一步地，所述載氣包括氫氣或氬氣，優(yōu)選為氫氣；所述襯底包括娃（100)、娃 (111)、二氧化硅/硅，所述催化劑包括金。
[0013] 進一步地，表面附著有催化劑的襯底通過以下方法制備：將襯底依次在丙酮、 無水乙醇和去離子水中超聲5-10min，然后用氮氣槍將其吹干，將金的水溶液（密度： 0. 2±0. 05g/L，金顆粒的直徑為IOnm)滴在襯底上后將其烘干。
[0014] 進一步地，本發(fā)明的方法還包括：在充入載氣之前，先將生長InAs納米線的腔室 抽真空至3X 10 4-4X 10 4Torr,接著充氬氣至腔室壓強為760Torr-900Torr，然后再抽真 空，循環(huán)3-5次洗氣過程后再緩慢充入氫氣。
[0015] 進一步地，載氣流速為50_80sccm時，生長的納米線97%以上為直徑均一，表面光 滑，沒有堆疊層錯的InAs納米線，長度分布5-20 μm，直徑分布為40-200nm，晶體結(jié)構(gòu)是閃 鋅礦結(jié)構(gòu)。
[0016] 進一步地，載氣流速增加到180-200sccm時，生長的納米線60%以上為表面鋸齒 形的孿晶超點陣InAs納米線，長度分布5-20 μ m，直徑分布30-100nm，晶體結(jié)構(gòu)是孿晶對稱 的閃鋅礦結(jié)構(gòu)。
[0017] 進一步地，先使用低的載氣流速50-80sccm，將源溫度在850±10°C下恒溫30±10 分鐘，將載氣流速變成180-200sccm，繼續(xù)在850± 10°C下恒溫30± 10分鐘之后生長了單晶 混合型InAs納米線，納米線的一部分是類型一，另一部分是類型二，類型一為直徑均一，表 面光滑，沒有堆疊層錯的InAs納米線，長度分布2-6 μ m，直徑分布為70-150nm，晶體結(jié)構(gòu)是 閃鋅礦結(jié)構(gòu)；類型二為表面鋸齒形的孿晶超點陣InAs納米線，長度分布4-8 μm，直徑分布 60-140nm，晶體結(jié)構(gòu)是孿晶對稱的閃鋅礦結(jié)構(gòu)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0019] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)載氣流速，可以有效地控制納米線的形貌和晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明為 實現(xiàn)低成本高有效地生長InAs納米線提供了參考，為CVD生長納米線的可控性方面提供了 部分指導意義。同時本發(fā)明對深入了解和研究孿晶超點陣納米線的成核生長機制有十分重 要的意義。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明基于CVD技術(shù)制備InAs納米線的實驗裝置原理圖以及當管式爐內(nèi) 加熱到850°C時爐內(nèi)各個區(qū)域的溫度分布圖。
[0021] 圖2為用CVD技術(shù)在不同的載氣流速下生長的納米線的掃描電子顯微鏡圖像。（a) 類型一納米線，載氣流速為50sccm。（b)類型二納米線，載氣流速為200sccm。插圖顯示的 是局部放大像（放大3倍）。
[0022] 圖3為類型一納米線的透射電子顯微鏡圖像。（a)為納米線的亮場像。（b)為納 米線的高分辨像，插圖為高分辨像的傅里葉轉(zhuǎn)換圖像。（c)為納米線頂端金屬顆粒和納米線 線體的X射線能量色散譜。
[0023] 圖4為類型二納米線的透射電子顯微鏡圖像。（a)為納米線的亮場像。（b)為納 米線孿晶部分的高分辨像，插圖為高分辨像的傅里葉轉(zhuǎn)換圖像。（c)為納米線頂端金屬顆 粒和納米線線體的界面高分辨像。（d)為分叉納米線的亮場像。（e)，（f) (g)分別對應（d) 中各個納米線的選區(qū)衍射圖像。
[0024] 圖5為類型二納米線的數(shù)量與載氣流速之間的關(guān)系?？梢钥闯鲭S著載氣流速的不 斷增大，類型二納米線在所有納米線中所占的比例越來越大，最高可達到80 %。
[0025] 圖6為類型三納米線的掃面電子顯微鏡和透射電子顯微鏡圖像。（a)為透射電子 顯微鏡亮場像。（b)和（c)為類型三納米線的類型一部分的高分辨圖像和相應的傅里葉轉(zhuǎn) 換圖像。（d)和（e)為類型三納米線的類型二部分的高分辨圖像和相應的傅里葉轉(zhuǎn)換圖像。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合實施例進一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0027] 本發(fā)明生長了直徑均一，表面光滑，沒有堆疊層錯的InAs納米線，長度分布 5-20 μ m，直徑分布為40-200nm，晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦結(jié)構(gòu)，將此類納米線定義為類型一。
[0028] 本發(fā)明生長了表面鋸齒形的孿晶超點陣InAs納米線，長度分