一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法技术

一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，涉及氧化锌纳米柱阵列的生长方法。提供制备氧化锌的工艺更加简易和广泛化的一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法。通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；去除PMMA保护膜；将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列。不仅克服现有氧化锌纳米柱阵列生长过程中衬底选择的局限性，而且成功生长出品质优良的氧化锌纳米柱阵列，使氧化锌纳米柱阵列的制备和应用更趋于简易化和广泛化，可在柔性衬底上直接生长，更有利于在微电子器件上的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法
本专利技术涉及氧化锌纳米柱阵列的生长方法，尤其是涉及到在任意衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的技术。
技术介绍
随着微电子器件技术的蓬勃发展，纳米技术将在电子产品领域掀起一场新的变革。以往披着神秘外衣的纳米材料逐渐融入人们的生活，应用于人们生活的方方面面。其中具有广阔应用前景的氧化锌纳米材料因其优良的特性获得众多学者的青睐。氧化锌是优良的半导体材料，它的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，可应用于液晶显示屏、薄膜晶体管、发光二极管等众多电子器件。氧化锌纳米材料的研究始于20世纪90年代，美国、德国、日本、韩国等已经在氧化锌研究方面做了很多工作。对于氧化锌纳米材料的研究最重要的就是其制备方法。随着研究的不断深入，目前已有具备多种制备纳米氧化锌的方法，如：水热技术、蒸汽传输技术、溶液方法、有机化学气相淀积、热蒸发和化学气相沉积等等([1]I.W.Okpashietal.,JournalofNanomedicine&Nanotechnology,06(05)(2015)；[2]L.P.Xuetal.,AcsACSAppl.Mater.Inter.,7(36)(2015),20264-20271)。其中CVD技术由于其高纯度和良好的可控性，表现出很大的优势，是目前生长纳米氧化锌较为成熟的方法([3]Z.Liuetal.,Nat.Nanotechnology,8(2)(2013),119-124)。作为纳米级别的氧化锌材料通常以纳米粒、纳米柱、纳米环等形式存在。因为其存在形多样化使得我们在生长大面积、质量完好的氧化锌纳米柱阵列时遇到很大困难。最大的一个问题就是生长衬底选择的局限性。尽管蓝宝石一项被用作氧化锌薄膜生长的衬底，但它们之间存在较大的晶格失配，从而导致氧化锌外延层的位错密度较高，进一步使器件性能退化。另外如果仅仅使用同质外延，虽然可以实现无应变、低的缺陷密度，但是局限了衬底的选择性。为了研究和应用方便，大多数晶体外延生长主要依靠异质衬底来实现。因此预导向层在外延生长中起到至关重要的作用。在氧化锌纳米柱阵列的生长研究中，一开始在铜衬底上生长氧化锌纳米棒，人们通常用石墨烯作为在铜箔上生长氧化锌纳米棒的缓冲层，这是由于外延生长的氧化锌纳米棒和石墨烯具有特别相似的原子构型。基于石墨烯的一些潜在的特性对长在其上面的氧化锌纳米棒的影响，考虑用和石墨烯具有相同结构的h-BN作为缓冲层来生长氧化锌纳米材料。氮化硼具有和石墨烯相同的六角结构，却比石墨烯表现出更适合做缓冲层的特性。h-BN是宽禁带的绝缘体，禁带宽度达5.9eV，还具有原子级的光滑表面，B原子和N原子以sp2键杂化结合在一起，高透明度、高柔韧度，很容易转移到任何衬底上。这些优良的特性使h-BN薄膜在外延生长中成为良好的诱导剂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服外延生长氧化锌时，衬底选择的局限性，提供制备氧化锌的工艺更加简易和广泛化的一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法。本专利技术包括以下步骤：1)通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；2)采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；3)去除PMMA保护膜；4)将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列。在步骤1)中，所述通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜的具体方法可为：对衬底进行电化学抛光预处理，并放置于CVD反应区，采用Borazane粉末作为反应源，放置于CVD源区，在H2和Ar混合气体携带下进行反应，实现在衬底表面上单原子层氮化硼薄膜的生长；所述H2可采用4～8sccm，所述Ar可采用10～20sccm；所述反应的温度可为1050℃；所述衬底可采用铜箔衬底。在步骤2)中，所述采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面的具体方法可为：在六方氮化硼的衬底表面，旋涂上一层PMMA薄膜保护氮化硼薄膜，然后再利用过硫酸铵溶解掉衬底,接着利用转移工具将PMMA/六方氮化硼薄膜转移覆盖到目标衬底上；所述目标衬底可选自金属箔衬底、石英玻璃衬底、PDMS衬底、硅片衬底、PET衬底等中的一种。在步骤3)中，所述去除PMMA保护膜的具体方法可为：将步骤2)得到的产物放入丙酮溶液浸泡,去除掉样品表面的PMMA；所述浸泡的步骤可为：用丙酮溶液浸泡10min，更换丙酮溶液，重复浸泡更换3次后，每24h更换一次丙酮溶液，48h后完全去除PMMA。在步骤4)中，所述将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列的具体方法可为：首先给CVD腔中通入氮气，对衬底表面进行退火处理，然后加热锌粉，再通入氮气和氧气混合气作为载气，将锌粉带到衬底表面，氧气和锌蒸气在衬底表面生成氧化锌纳米棒阵列，冷却并持续通入氮气，即完成衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的目的；所述氮气的流量可为100sccm，所述加热锌粉的温度可为600℃；所述氮气和氧气的流量可分别为100sccm和8sccm；所述氧气和锌蒸气在衬底表面生成氧化锌纳米棒阵列的时间可为30min；所述冷却并持续通入氮气的时间可为120min。氮化硼在垂直氧化锌纳米线生长过程中充当预成核层和预导向层作用，可引导氧化锌纳米柱阵列的直接垂直生长。以化学气相外延生长方法为例，反应温度和反应时间是成功生长垂直对齐的氧化锌纳米线阵列的关键。1g的高纯度金属锌粉作为源材料，放在中央加热区。将覆盖单层氮化硼的金属衬底放在原材料下游2cm处。压强为1000Pa。本专利技术通过化学气相外延方法在铜箔衬底上生长质量完好的单层氮化硼薄膜，之后将单层氮化硼薄膜转移至任意目标衬底表面，采用氧化锌纳米柱生长技术如化学气相外延或者水热法等，成功在非晶、多晶衬底上直接生长整齐氧化锌纳米柱阵列。本专利技术不仅克服了现有氧化锌纳米柱阵列生长过程中衬底选择的局限性，而且成功生长出直径约为118nm，长度为15μm的品质优良的氧化锌纳米柱阵列，为纳米科技的发展提供了良好的基础材料。本专利技术使氧化锌纳米柱阵列的制备和应用更趋于简易化和广泛化，可在柔性衬底上直接生长，更有利于在微电子器件上的应用。附图说明图1为氧化锌纳米棒在任意目标衬底上生长的原理示意图。图2为CVD生长对齐的氧化锌纳米柱阵列的示意图。图3为SEM图显示衬底与锌粉的距离对氧化锌纳米柱生长的影响。图4为SEM图表明温度对氧化锌纳米柱生长的影响。图5为ZnO纳米柱的侧视的SEM图。图6为ZnO纳米柱的俯视的SEM图。图7为高分辨下的TEM图和对该区域的选区电子衍射图。图8为氧化锌纳米柱阵列的XRD能谱。图9为弯曲的ZnO/h-BN/Cu样品。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施方式和步骤作具体说明。1、首先，Cu衬底的抛光处理以及单层h-BN的生长。1)将铜箔衬底剪出所有的尺寸，然后放在配好的电解液中，外加电压4.8V，电流3A，抛光时间2min。取出铜箔，先用过离子水冲洗再用酒精冲洗，氮气吹干，即得表面较光滑的铜箔衬底。2)用分析天平称量borazane6g作为源放入前区反应区，抛光过的铜箔放入后区反应区，设置温度，前区温度设为90℃，反应区温度设为1050℃。开始加热，当反应区温度达到90本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；2)采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；3)去除PMMA保护膜；4)将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列。

【技术特征摘要】
1.一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜；2)采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面；3)去除PMMA保护膜；4)将覆盖氮化硼薄膜的金属衬底置入反应腔，利用氧化锌纳米柱生长方法，直接生长整齐纳米柱阵列。2.如权利要求1所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于在步骤1)中，所述通过CVD在衬底表面生长单原子层氮化硼薄膜的具体方法为：对衬底进行电化学抛光预处理，并放置于CVD反应区，采用Borazane粉末作为反应源，放置于CVD源区，在H2和Ar混合气体携带下进行反应，实现在衬底表面上单原子层氮化硼薄膜的生长。3.如权利要求2所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述H2采用4～8sccm，所述Ar采用10～20sccm。4.如权利要求2所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于所述反应的温度为1050℃；所述衬底采用铜箔衬底。5.如权利要求1所述一种衬底上直接生长氧化锌纳米柱阵列的方法，其特征在于在步骤2)中，所述采用PMMA辅助法，将氮化硼薄膜转移覆盖于目标衬底表面的具体方法为：在六方氮化硼的衬底表面，旋涂上一层PMMA薄膜保护氮化硼薄膜，然后再利用过硫酸铵溶解掉衬底,接着利用转移工具将PMMA/六方氮化硼薄膜转移覆盖到目标衬底上。6.如权利要求5所述一种衬底上直接生...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡端俊，孙飞鹏，马吉，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35