一种在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米线的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米线的方法及其应用，每个微腔内都可生长出方向垂直或接近垂直衬底表面又不接触腔壁的氧化物纳米线。该方法是先依次在衬底上制备多层过渡层、金属膜和保护层，然后通过光刻方法选择性地暴露出金属膜表面，最后将该表面放置在含有氧气的气氛下加热，实现其氧化物纳米线的生长。该方法过程简单，容易实现，不需要催化剂，可避免由催化剂带来的污染。该结构有利于在纳米线顶端及其所在衬底分别施加电接触或电场，从而实现对每个微腔进行选择性电控制，因此可用于制作真空微纳电子源阵列等器件。本发明专利技术列举了在微腔结构阵列中生长出氧化铜纳米线，并进行相关特性测试的实施案例。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜的方式生长氧化物纳米线的 方法及其应用。
技术介绍
在微结构中可控生长的冷阴极材料，可应用于电子源、场发射显示器件、冷阴极光源以 及太阳能电池等方面。因此，发展在微结构中可控生长冷阴极材料技术具有重要意义。近年 来，国内外一些研究组在带控制栅极的圆形孔微结构中制备了硅微尖锥、金刚石 及其相关薄膜、碳纳米管、碳纳米颗粒以及氧化锌纳米线,并对其进行了场发射等相关性能的表征。上述探索性研究， 揭示了各种各样的问题。例如，在微结构中制备排列一致并垂直于衬底的硅微尖锥和硅纳米 线虽然有相对较成熟的技术，但硅尖锥和硅纳米线在工作过程中会由于氧化、离子轰击或气 体吸附等原因造成场发射性能很快下降，另外还存在着大面积制作困难以及昂贵的制作成本 等方面的问题。在带栅极的结构中制备的碳纳米管尽管能承载较大的发射电流，但由于不同 几何结构(高度和直径)和手性的碳纳米管的导电性质和场发射特性不同, 它们的场发射均匀性难以实现。这对碳纳米管在真空微电子器件中的应用极为不利。根据现 有的技术方法，还很难实现大面积、高度、直径和手性一致的碳纳米管阵列的制备。另外， 生长碳纳米管需要在衬底上引入其他金属催化剂，不仅工艺复杂，而且较容易带来杂质污染 等。利用水热法在微腔结构中制备氧化锌纳米线，虽具有低温下制备的优势，但氧化锌纳米 线与衬底的附着力相对较差。另外在制备过程中要将微腔结构浸入溶液中，这会引入杂质污 染，还可能对整个结构的性能造成影响。金刚石及其相关的薄膜发射址密度低、大面积均匀 性还未达到应用要求，还未能满足器件实用化的要求。本专利技术发展在微腔结构中在低温条件下生长新型的纳米材料，有重要意义。首先，通过在低温下加热金属膜的方式在阵列式 排列的微腔结构中直接生长金属氧化物纳米线是一个良好的选择。工艺过程简单，容易实现 大面积生长。另外，通过腔壁对纳米线生长方向的控制作用，可以避免栅极与纳米线的电接 触。最后，前期研究已经证明不少金属氧化物纳米线不仅具有良好的场发射等性能，还可以 在低温下加热生长。因此，材料选择范围较广泛。具体的前期研究成果的例子包括氧化铜纳 米线、氧化铁纳米 线、氧化妈纳米线、氧化 锌纳米线、复合型氧化铜氧化锌纳米线等。本专利技术通过在阵列式排 列的微腔结构中通过直接加热金属膜的方式生长氧化物纳米线，实现对它们的可选址阵列式 驱动，在发展真空微纳电子源和场发射平板显示器方面有很好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提出了一种在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜的方式生长氧化物纳米线 的方法及其应用。在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米线按照以下步骤进行1、 清洗衬底，彻底除去衬底上的杂质；2、 在适当温度下烘干衬底，或者惰性气体吹干衬底；3、 在衬底上交替式制备多层过渡层薄膜；4、 根据结构的需求，在过渡层薄膜上制备作用于生长氧化物纳米线的金属膜；5、 在金属膜上制备相应厚度的保护层薄膜；6、 经过光刻刻蚀工艺选择性地刻蚀保护层薄膜，使得保护层下面的金属膜表面完全暴露 出来；7、 在含有氧气的气氛下温度为250 700°C，恒温5分钟至24小时情况下对暴露出来的金属薄膜进行加热来生长氧化物纳米线，最后降温。上述的制备的多层过渡层薄膜是铬、镍、铁、镍铬，钛，钼或铝材料中的一种或几种与 金属膜交替式多层结构。过渡层薄膜的总厚度2 200纳米，金属膜层的厚度200纳米 100 微米，保护层薄膜厚度约100纳米 100微米。多层过渡层的作用是使得衬底与金属膜之间 有较强附着力，防止制备较厚的薄膜时，由于应力作用，使得制备的薄膜从衬底上脱落。保 护层薄膜作用是保护不需要被氧化的金属薄膜以及制作成为所需结构(如带栅极控制的场致 发射平板显示器的阴极)。本专利技术所述的在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米线中，如以在 微腔结构中加热铜膜生长氧化铜纳米线为实时例时，选择金属铝层作为金属保护层时，为使 得铜铝界面处的铝能够刻蚀干净，采用了大功率直流磁控溅射来制备金属铝保护层。选择性 刻蚀金属铝层时，是采用具有选择性刻蚀的磷酸溶液，因为磷酸对金属铝的刻蚀速率远远大 于对磷酸对铜的刻蚀速率(理论上是铜与磷酸不发生化学反应)。本专利技术所述的在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜的方式生长氧化物纳米线，可 生长于各种材料衬底上(如硅片、金属片、玻璃、ITO玻璃、或者陶瓷等)，衬底的几何形状 不限。本专利技术所述的在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜的方式生长氧化物纳米线的微 腔结构结构形状、尺寸大小不限，可根据需求自行设计，其形状可以是圆形、方形、三角形、 跑道形状、椭圆形状等，尺寸大小就圆形来讲，其直径可以200纳米 10毫米等。本专利技术所述的在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜的方式生长氧化物纳米线的方 法所制备的氧化物纳米线阵列具有较好的场发射特性，其可用于真空微纳电子源，栅极结构 的场发射平板显示器件、冷阴极光源、热电转换、光电转换和太阳能电池等。附图说明图1采用光刻刻蚀工艺实现在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米 线工艺之一。图2采用光刻刻蚀工艺实现在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米 线工艺之二。图3以在阵列式排列的微腔结构中直接加热铜膜生长氧化铜纳米线为实施例子中的不同 溅射功率沉积的铝保护层经选择性刻蚀后热氧化前后的微腔结构的SEM图(a)采用300W 的直流溅射功率镀铝典型刻蚀结果，(b)是在(a)中直接加热铜膜生长氧化铜纳米线的SEM 图，(c)采用850W的直流溅射功率镀铝典型刻蚀结果，(d)是在(c)中直接加热铜膜生长氧化铜纳米线SEM图。图3-1和图3-2分别为图3 (a)和3(c)经过选择性刻蚀后形成的圆形孔的底表面的EDS 元素成分比。图4(a)是实施例之一中在由10ixmX30iim矩形单元阵列式排列的微腔结构中直接加热 铜膜生长的氧化铜纳米线的SEM俯视图。图4(b)是实施例之一在由10!imX30nm矩形单元阵列式排列的微腔结构中直接加热铜膜生长的氧化铜纳米线的SEM截面图。图5(a)是实施例之一在由直径为5wm、孔深为m圆形孔单元阵列式排列的微腔结构 中直接加热铜膜生长的氧化铜纳米线的SEM斜视形貌图。图5(b)是实施例之一在由直径为5um、孔深2ixm圆形孔阵列式排列的微腔结构中直接 加热铜膜生长的氧化铜纳米线SEM斜视形貌图。图6(a)是实施例之一在由500wmX600!im矩形阵列组成的微腔结构中直接生长的氧化 铜纳米线掩模图形。图6(b)是实施例之一在由500umX600ixm矩形单元阵列组成的微腔结构中直接生长的氧化铜纳米线的场发射图像。图6(c)是实施例之一在由500umX600&m单元阵列式式排列的微腔结构中直接生长的氧化铜纳米线阵列的场发射I一E曲线及其F-N曲线。图7(a)是实施例之一微腔结构中直接生长的氧化铜纳米线高分辩TEM图。图7(b)是实施例之一微腔结构中直接生长的氧化铜纳米线的能谱图。图8是实施例之一微腔结构中直接生长的氧化铜纳米线经过超声前后的SEM图图9是实施例之二在具有栅极控制的微腔结构中直接生长氧化铜纳米线阵列及其栅极结构的SEM貌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米线的方法，其特征如下：　（１）在洁净的衬底上交替制备多层过渡层薄膜；　（２）在过渡层薄膜上制备金属薄膜；　（３）在金属膜上制备保护层薄膜；　（４）采用光刻刻蚀工艺，在保护层表面 形成所需的图形掩模；　（５）在以保护层上形成的图形掩模的保护下，对保护层薄膜进行选择性刻蚀，使得保护层下面的金属膜表面完全暴露出来；　（６）在含有氧气的气氛中，恒温加热５分钟至２４小时进行对金属膜热氧化，温度范围为２５０～７００℃，最后 降温。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许宁生，邵鹏睿，邓少芝，麦强，陈军，佘峻聪，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]