石墨基板上生长的纳米线或纳米锥制造技术

一种物质的组合物，其包含：可选地携载于支撑件上的石墨基板；直接沉积于该基板的顶部上与任何支撑件相对的具有不大于50nm的厚度的晶种层；及直接于该晶种层的顶部上的氧化物或氮化物遮罩层；其中多个孔是贯通该晶种层及贯通该遮罩层至该石墨基板而存在；且其中多个纳米线或纳米锥来自于该基板于该孔中生长，该纳米线或纳米锥包含至少一种半导III‑V族化合物。

Nanowires or nanowires grown on a graphite substrate

A material composition consisting of a graphite substrate, optionally carried on the support part, directly deposited on the top of the substrate and having a seed layer with no greater than 50nm thickness relative to any support; and an oxide or nitride mask directly on the top of the seed layer; a plurality of holes are through the crystal species. The layer and through the mask layer exist to the graphite substrate; and a plurality of nanowires or nanowires are derived from the substrate in the hole, and the nanowires or nanowires contain at least one semi conductance III V compound.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】石墨基板上生长的纳米线或纳米锥
本专利技术涉及于作为用于优选借由金属有机气相外延(MOVPE)方法或分子束外延(MBE)方法生长的纳米线或纳米锥阵列的透明、导电及可挠性基板的薄石墨层上制造孔图案化遮罩层。该石墨基板设有晶种层，该晶种层可经图案化以容许纳米线或纳米锥以诸如纳米线或纳米锥阵列的图案化形式生长。或者，该晶种层本身设有可经图案化(连同该晶种层)以容许纳米线或纳米锥生长的遮罩层。顶部具有种晶及可选地遮罩层的石墨层可自基板转移至其他可增强垂直纳米线或纳米锥生长的支撑件表面上。
技术介绍
近几年来，随着纳米技术变为重要工程规则，对半导体纳米线的兴趣愈加强烈。已发现纳米线，一些作者亦称为纳米须、纳米棒、纳米柱、纳米管柱等，于各种电装置(诸如感测器、LED的太阳能电池)中的重要应用。针对本申请的目的，术语纳米线应视为基本上呈一维形式的结构，即，其宽度或直径具有纳米尺寸且其长度通常在几百nm至几μm的范围内。通常，认为纳米线具有至少两个不大于500nm(诸如不大于350nm)，尤其不大于300nm(诸如不大于200nm)的尺寸。存在许多不同类型的纳米线，其包括金属(例如，Ni、Pt、Au、Ag)、半导(例如，Si、InP、GaN、GaAs、ZnO)及绝缘(例如，SiO2、TiO2)纳米线。本专利技术者主要涉及半导体纳米线，然而设想下文详细阐述的原则适用于纳米线技术的所有方式。通常，半导体纳米线已生长于与纳米线本身相同的基板上(同质外延生长)。因此，GaAs纳米线是生长于GaAs基板等等上。当然，此确保基板的晶体结构与生长纳米线的晶体结构之间的晶格匹配。基板及纳米线两者可具有相同晶体结构。然而，本专利技术涉及于石墨基板上生长的纳米线(异质外延生长)。石墨基板是由石墨烯或其衍生物的单层或多层组成的基板。在其最佳形式中，石墨烯是一个原子层厚度的与呈蜂巢晶格图案布置的双电子键(称为sp2键)结合在一起的碳原子的片。石墨基板是薄、轻且可挠，然而其非常牢固。相较于其他现存的透明导体(诸如ITO、ZnO/Ag/ZnO、TiO2/Ag/TiO2)，已证明石墨烯具有绝佳光电性质，如显示于NaturePhotonics4(2010)611的最新综述文章中。纳米线(NW)于石墨烯上的生长并不新颖。在WO2012/080252中，有对使用MBE使半导纳米线于石墨烯基板上生长的讨论。WO2013/104723涉及于‘252公开内容上的改善，其中将石墨烯顶部接触件应用于在石墨烯上生长的NW上。就许多应用而言，纳米线或纳米锥可垂直(与基板表面垂直)生长将是重要的。半导体纳米线通常以[111]方向(如果是立方形晶体结构)或[0001]方向(如果是六边形晶体结构)生长。此意谓该基板表面需为(111)或(0001)定向，其中该基板的表面原子呈六边形对称布置。然而，一个问题是纳米线或纳米锥可以任何位置或以任何方向于基板上随机生长。因此，为定位该纳米线，已知使用具有孔阵列图案的遮罩，在该遮罩中容许纳米线仅生长于孔图案化区域中。该遮罩也可促进NW以与基板垂直的方向生长。通常，向基板施加二氧化硅层且经蚀刻以于所需图案中产生孔。然后，纳米线仅于该孔的位置生长。在NanoLetters14(2014)960-966中，Munshi等人显示使用二氧化硅遮罩于Si上生长的GaAs纳米线。其他公开诸如JournalofCrystalGrowth310(2008)1049-56也描述了经遮蔽的晶体生长。在Nanotechnology22(2011)275602中，Plissard等人描述基于镓液滴定位的纳米线定位技术。纳米线仅自该Ga液滴生长，所以其位置可经控制。然而，本专利技术者已知晓常规二氧化硅或氮化硅遮罩于石墨基板上的沉积是有问题的。遮罩可由惰性化合物诸如氧化物及氮化物制成。特别地，孔图案化遮罩包含至少一种绝缘材料，举例而言，诸如SiO2、Si3N4、HfO2或Al2O3。此材料可借由高品质的化学气相沉积(CVD)、电浆增强CVD(PE-CVD)、溅镀及原子层沉积(ALD)沉积于一般半导体基板上。然而，此沉积方法无法轻易施用于石墨基板。氧化物或氮化物材料借由CVD的沉积始终涉及高度反应性氧或氮自由基，其可轻易损害石墨烯中的碳键，从而导致有用性质(诸如高导电性)的严重损失。若该自由基于PE-CVD沉积中以电浆形式经进一步活化则此损害变得尤为严重。此问题与其中电浆中经高度加速的氧化物/氮化物元素轰击石墨表面的溅镀相当类似。另外，石墨基板于表面不含悬空键，因此其具有疏水性性质的化学惰性。这使得难以用(例如)基于H2O的ALD技术沉积氧化物及氮化物，因此需要石墨烯表面的复杂化学功能化，该功能化再次降低其性质。因此，本专利技术者提出在施用遮罩层前或在将晶种层转化为氧化物层前将晶种层施用于石墨基板上且图案化以供NW或纳米锥的定位生长。本专利技术者已知晓薄晶种层可沉积于石墨基板上而不损害该基板的表面。该薄晶种层也保护该基板使得其他非所欲材料无法沉积于该基板上。特别地，该晶种层是不与石墨烯反应的惰性层。然后此晶种层可氧化以形成氧化物层或该晶种层可形成供遮罩层沉积的支撑件。然后此层可经蚀刻以形成供NW或纳米锥生长的孔。因此，整个溶液的侵略性少得多且于石墨烯上导致较少的缺陷及具有外来污染物的较小风险。将薄晶种层施用于石墨烯上以沉积高品质氧化物已屡见不鲜。在Appl.Phys.Lett.94(2009)062107中，Kim等人描述在借由ALD将氧化铝沉积于石墨烯上前沉积薄铝层。然而，之前无人考虑晶种层于纳米线或纳米锥于石墨基板上可控生长的情况中的重要性。另外，本专利技术者已发现晶种层及遮罩层的施用可在需为NW或纳米锥生长转移石墨烯时用作石墨烯的“无碳污染物”支架。已于不同基板上成功证实单层及多层石墨烯的生长。使用在高温下的Si升华，石墨烯可生长于SiC基板上。石墨烯的CVD生长是熟知的技术，其中最普遍的方法是利用金属催化剂(诸如Cu、Ni、Pt、Ru等)。最近，已报告石墨烯于半导体(诸如Ge及Si)及绝缘体(诸如SiO2及Al2O3)上的生长。本专利技术者已注意到底部具有金属催化剂的原生石墨烯无法轻易用于NW生长。例如，于Cu上生长的CVD石墨烯的使用无法用于NW生长，因为Cu可于所生长的NW中引起严重污染，尤其于生长室中自Cu在高温下的蒸发及扩散出来所引起的污染。位于金属催化剂上的CVD生长的石墨烯通常具有局部缺陷及微米级-(或纳米级)裂缝，其中底部金属表面经曝露。经曝露的金属表面在NW生长期间可与半导体材料高度反应，此可打击并破坏石墨烯表面上的适当NW生长。因此，在NW生长前可能需将CVD生长的石墨烯自金属催化剂表面转移至其他表面。使用晶种层(及可能的遮罩层)作为用于石墨烯转移的支架具有另一重要优点。该层可于石墨烯的CVD生长后直接沉积，并因此保护干净的石墨烯表面不受涉及基于聚合物的材料(诸如用于石墨烯转移的电子束抗蚀剂)的沉积的进一步处理影响。基于聚合物的材料于CVD生长的石墨烯上的直接沉积始终于表面上留下碳残余物，此于NW生长期间导致碳污染，从而降低NW的掺杂控制及光学性质且污染生长系统。其也可影响NW生长本身。因此，于沉积基于聚合物的材料前沉积晶种层(及可能的遮罩层)使得可能具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物质的组合物，其包含：可选地携载于支撑件上的石墨基板；直接沉积于所述基板的顶部上与任何支撑件相对的具有不大于50nm的厚度的晶种层；以及直接于所述晶种层的顶部上的氧化物或氮化物遮罩层；其中多个孔贯通所述晶种层及贯通所述遮罩层至所述石墨基板而存在；且其中多个纳米线或纳米锥从所述基板于所述孔中生长，所述纳米线或纳米锥包含至少一种半导体III‑V族化合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.13 GB 1512230.2;2016.01.05 GB 1600150.51.一种物质的组合物，其包含：可选地携载于支撑件上的石墨基板；直接沉积于所述基板的顶部上与任何支撑件相对的具有不大于50nm的厚度的晶种层；以及直接于所述晶种层的顶部上的氧化物或氮化物遮罩层；其中多个孔贯通所述晶种层及贯通所述遮罩层至所述石墨基板而存在；且其中多个纳米线或纳米锥从所述基板于所述孔中生长，所述纳米线或纳米锥包含至少一种半导体III-V族化合物。2.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述晶种层是金属层或经氧化或氮化的金属的层。3.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述基板是石墨烯。4.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述纳米线或纳米锥自所述基板外延生长。5.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述基板的厚度高达20nm。6.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述晶种层是来自第一(3d)过渡系列(Sc-Zn)、B、Al、Si、Ge、Sb、Ta、W或Nb的金属层或其经氧化的层。7.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述遮罩层包含金属氧化物或金属氮化物。8.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述遮罩层包含Al2O3、TiO2、SiO2、AlN、BN或Si3N4。9.如任何前述权利要求所述的组合物，其中支撑件包含半导体基板、透明玻璃、AlN或碳化硅。10.如任何前述权利要求所述的组合物，其中支撑件包含半导体基板，所述半导体基板包含具有与表面垂直的[111]、[110]或[100]晶体取向的晶体Si或GaAs且于顶部具有或不具有诸如SiO2、Si3N4的氧化物或氮化物层；或包含熔融二氧化硅或熔融氧化铝的透明玻璃。11.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述纳米线或纳米锥是掺杂的。12.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述纳米线或纳米锥是核-壳纳米线或纳米锥或径向异质结构化的纳米线或纳米锥。13.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述纳米线或纳米锥是轴向异质结构化的纳米线或纳米锥。14.如任何前述权利要求所述的组合物，其中石墨顶部接触层存在于所述纳米线或纳米锥的顶部上。15.如任何前述权利要求所述的组合物，其中所述遮罩层包含至少两个不同的层，例如，氧化物层及氮化物层。16.一种方法，其包括：(I)于支撑件上提供石墨基板并于所述石墨基板上沉积具有不超过50nm的厚度的晶种层；(II)氧化或氮化所述晶种层以形成氧化或氮化的晶种层；可选地(III)将遮罩层沉积于所述氧化或氮化的晶种层上；(IV)可选地将所述石墨基板转移至不同的支撑件；(V)将多个孔引入所述氧化或氮化的晶种层...

【专利技术属性】
技术研发人员：金东彻，艾达·玛丽·E·霍埃斯，卡尔·菲利普·J·海姆达尔，比约恩·奥韦·M·菲姆兰，赫尔格·韦曼，
申请(专利权)人：科莱约纳诺公司，挪威科技大学，
类型：发明
国别省市：挪威,NO