一種從薄膜表面可控制備單晶錫納米線/微米線的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種從薄膜表面可控制備單晶錫納米線/微米線的方法，可以實(shí)現(xiàn)錫納米線/微米線直徑和長(zhǎng)度的可控制備。
【背景技術(shù)】
[0002]錫納米線為一維納米材料，在化學(xué)傳感器、鋰離子電池、發(fā)光二極管等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。尤其是單晶錫納米線的電子傳輸特性更加優(yōu)異，可以大幅度提高其性能，并且能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。因此，實(shí)現(xiàn)單晶錫納米線批量、可控的制備對(duì)其應(yīng)用具有十分重要的意義。
[0003]目前，制備金屬錫納米線的方法很多，大部分都基于模板法。采用電化學(xué)沉積、溶膠凝膠、化學(xué)氣相沉積等都能夠通過模板法制備出錫納米線。模板法能夠很好地調(diào)控錫納米線的形貌，并且能夠得到取向一致的錫納米線陣列，但制備工藝復(fù)雜，后處理比較煩瑣，制備出的錫納米線一般為多晶錫納米線。Luo B采用模板法成功制備出單晶錫納米線(Nanoscale, 2010 ；2:1661)，但制備工藝較復(fù)雜，制備時(shí)間長(zhǎng)。
[0004]錫晶須是在壓應(yīng)力條件下自發(fā)生長(zhǎng)的單晶錫納米線/微米線，并且主要沿[100]、
[001]和[101]等低指數(shù)晶體方向生長(zhǎng)。純錫或錫基鍍層以及某些錫合金表面都能夠生長(zhǎng)錫晶須。研究者也嘗試采用錫晶須生長(zhǎng)的方法制備單晶錫納米線/微米線。如:劉勝等報(bào)道了一種利用錫晶須的生長(zhǎng)制備錫納米線的方法(中國(guó)專利申請(qǐng):201210068606.X)，但也需要模板制備。Xiao X在錫娃復(fù)合薄膜上成功制備出錫納米線，并且能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)直徑的可控制備(Appl.Phys.Lett.2010 ;97:141904)，操作簡(jiǎn)單；但是需要采用磁控派射制備錫硅復(fù)合薄膜，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種從薄膜表面可控制備單晶錫納米線/微米線的方法，通過薄膜內(nèi)部熱失配產(chǎn)生壓應(yīng)力，進(jìn)而誘發(fā)單晶錫納米線/微米線的生長(zhǎng)，解決了現(xiàn)有方法的工藝復(fù)雜、成本較高等問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種從薄膜表面可控制備單晶錫納米線/微米線的方法，其特征在于:該方法首先在娃基板上制備厚度為10nm?200 μ m的多晶錫薄膜，獲得娃/錫復(fù)合薄膜，然后將娃/錫復(fù)合薄膜在高溫條件下存放，即在多晶錫薄膜表面生長(zhǎng)出所述單晶錫納米線/微米線；通過控制硅/錫復(fù)合薄膜內(nèi)部的壓應(yīng)力變化，能夠控制所生長(zhǎng)的單晶錫納米線/微米線的長(zhǎng)度、密度及生長(zhǎng)速度，通過控制所述多晶錫薄膜中錫的晶粒尺寸，能夠控制所生長(zhǎng)的單晶錫納米線/微米線的直徑。所制備的錫納米線/微米線為單晶，其直徑尺寸范圍為10nm?10 μ m，長(zhǎng)度范圍為100nm?1_，生長(zhǎng)密度為10?1000根/mm2，生長(zhǎng)速度為0.1?100nm/
So
[0008]所述硅/錫復(fù)合薄膜內(nèi)部的壓應(yīng)力變化是通過調(diào)控所述硅/錫復(fù)合薄膜的存放溫度條件和/或存放時(shí)間來控制，進(jìn)而獲得所需長(zhǎng)度、密度及生長(zhǎng)速度的單晶錫納米線/微米線。
[0009]所述硅/錫復(fù)合薄膜的存放溫度條件為恒溫或循環(huán)方式，恒溫的溫度區(qū)間在30?200°C之間，溫度越高，錫納米線/微米線的生長(zhǎng)速度越快；循環(huán)方式按照“升溫-降溫-升溫”的方式往復(fù)循環(huán)，溫度范圍為-40?200°C，通過調(diào)節(jié)循環(huán)的周數(shù)能夠控制錫納米線/微米線的長(zhǎng)度和生長(zhǎng)密度，循環(huán)的周數(shù)越多，錫納米線/微米線的生長(zhǎng)密度越大、長(zhǎng)度越短。
[0010]所述硅/錫復(fù)合薄膜存放在真空、氣體保護(hù)或大氣條件下，存放時(shí)間為5分鐘?1年，存放時(shí)間越長(zhǎng)，制備得到的單晶錫納米線/微米線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。
[0011]所述多晶錫薄膜中錫的晶粒尺寸決定錫納米線/微米線的直徑尺寸；所述多晶錫薄膜中錫的晶粒尺寸通過其制備工藝控制。
[0012]所述多晶錫薄膜采用磁控濺射、電子束輔助沉積、電鍍或化學(xué)鍍等工藝制備，通過選擇制備工藝及調(diào)整工藝參數(shù)獲得所需要規(guī)格的多晶錫薄膜。
[0013]所述硅基板為單晶硅或多晶硅。
[0014]所述娃/錫復(fù)合薄膜還可包括金屬層(Ti層或A1層，厚度1?10nm)，金屬層制備在硅基板與多晶錫薄膜之間，以增強(qiáng)多晶錫薄膜和硅基板的結(jié)合力。
[0015]本發(fā)明中利用錫晶須生長(zhǎng)的方法在硅/錫薄膜表面可控制備錫納米線/微米線，與目前廣泛采用的模板法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、本發(fā)明突破了制備錫納米線/微米線的傳統(tǒng)化學(xué)方法，通過制備特定的硅/錫復(fù)合薄膜，控制存放條件，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量單晶錫納米線/微米線的制備，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉；
[0017]2、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)薄膜中錫的晶粒尺寸來實(shí)現(xiàn)錫納米線/微米線直徑的控制，可控性強(qiáng)，直徑范圍為10nm?10 μ m，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)存放條件實(shí)現(xiàn)單晶錫納米線/微米線長(zhǎng)度的控制，可控范圍廣，其范圍為lOOnm?lmm0
[0018]3、本發(fā)明利用晶須生長(zhǎng)的方法制備錫納米線/微米線的方法操作工藝簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)模板法復(fù)雜的工藝過程，是一種簡(jiǎn)單、有效的制備單晶錫納米線/微米線的方法。
【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1中硅基板上150nm厚錫薄膜表面生長(zhǎng)的一根單晶錫納米線。
[0020]圖2為實(shí)施例1中錫薄膜表面生長(zhǎng)的一根單晶錫納米線及其透射電子衍射譜；其中:(a)單晶錫納米線；(b)透射電子衍射譜。
[0021]圖3為實(shí)施例2中硅基板上500nm厚錫薄膜在120°C存儲(chǔ)條件下表面生長(zhǎng)的單晶錫微米線。
[0022]圖4為實(shí)施例3中硅基板上500nm厚錫薄膜在熱循環(huán)6周條件下生長(zhǎng)的錫微米線。
[0023]圖5為實(shí)施例3中娃基板上500nm厚錫薄膜熱循環(huán)36周條件下生長(zhǎng)的錫微米線。
【具體實(shí)施方式】
:
[0024]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明是從薄膜表面可控制備單晶錫納米線/微米線的方法，通過硅/錫薄膜的制備、高溫存放等過程，調(diào)節(jié)存放條件在薄膜表面制備出直徑和長(zhǎng)度可控的單晶錫納米線/微米線。具體步驟如下:
[0026](1)在娃基板上制備多晶錫薄膜，獲得娃/錫復(fù)合薄膜；
[0027](2)將得到的硅/錫復(fù)合薄膜在高溫條件下存放一定時(shí)間，其表面就會(huì)生長(zhǎng)出大量的單晶錫納米線/微米線。
[0028]本發(fā)明中，所用的材料結(jié)構(gòu)為硅/錫復(fù)合薄膜，硅基板可以為單晶或多晶硅。
[0029]本發(fā)明中，為了增強(qiáng)基板和錫薄膜的結(jié)合強(qiáng)度，可以預(yù)先在硅基板上制備一定厚度金屬層，可以為T1、Al等。
[0030]本發(fā)明中，錫薄膜可以采用磁控濺射、電子束輔助沉積、電鍍、化學(xué)鍍等方法制備，不同的制備方法及參數(shù)制備得到的薄膜的晶粒尺寸不同，薄膜的厚度在10nm?200 μπι之間。
[0031]本發(fā)明中，薄膜中錫的晶粒尺寸決定了錫納米線/微米線的直徑尺