一种多量子点结构的制备方法技术

本发明专利技术公布了一种多量子点结构的制备方法，属于纳米或原子尺度器件领域。该方法通过对金属纳米带的几何形状进行设计，控制电迁移主要发生的位置，再利用电流焦耳热驱动的电迁移，调整电迁移过程中的电压、电流等电学参数，使发生迁移的一部分原子与既有结构断开连接，并且控制其平均原子量，从而制备出多量子点结构。本发明专利技术可以在一次制备过程中，形成彼此间距离仅数埃至数纳米的多量子点结构，量子点的直径从数埃至数纳米，因量子尺寸限域效应，量子点的能级会分裂而存在能隙。子点的能级会分裂而存在能隙。子点的能级会分裂而存在能隙。

【技术实现步骤摘要】
一种多量子点结构的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米/原子器件领域，是一种多量子点结构的制备方法。

技术介绍

[0002]量子点结构具有数纳米至数埃的直径。由于量子尺寸限制效应，量子点结构中的能级会发生分裂，不同能级之间具有能隙。当一个能级被电子占据时，下一个电子必须获得超过能隙的能量，才可以被填充进入量子点，否则无法进入或者通过量子点。量子点对电子能级的调制作用，使得其可以用于单电子器件、发光器件等多个领域。电子可以从多个相邻的量子点之间隧穿，多量子点结构可能具有更复杂的调制作用。制备量子点，特别是相互关联的多量子点结构，具有十分重要的研究价值和应用潜力。
[0003]目前，量子点结构的制备方法可以分为两种。其一是“自上而下”的方法，通过光刻、电子束曝光和刻蚀等方法制备出量子点结构；其二是“自下而上”的方法，将原子、分子或纳米结构材料组装而成量子点结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种新的制备多量子点结构的方法。
[0005]本专利技术的原理：
[0006]金属纳米带的电迁移过程主要发生在其几何结构最窄、电流密度最高的位置(图1(a))。在金属纳米带的电迁移的过程中，由于电流焦耳热的作用，其局部温度可升高至数百乃至上千开尔文。在这样的高温下，在发生电迁移的位置附近，金属可能融化为液态，或发生软化，如图1所示。同时迁移的金属原子倾向于沿着低指数面聚集在表面的高场区域，形成多面体的晶体结构。通常，当电迁移过程较为缓慢时，迁移的原子总与尚未迁移的既有结构间存在连接(图1(b))。因此，上述迁移原子会沿着既有结构表面的迁移，电迁移的总体作用是使迁移形成的裂缝两侧形成表面较为光滑的锥体结构。但是，当电迁移过程进行得很快时，部分原子可能来不及完全沿着既有结构表面迁移，而与之断开连接，形成独立的金属原子团簇。随着连接断开，这些原子团簇失去了焦耳热的加热作用，也不再与其它位置的金属原子发生物质交换，因而迅速冷却，形成一系列颗粒状金属纳米结构(图1(c))。
[0007]通过改变电迁移时所施加的电压和电流条件，如电压变化率、限流、施加的波形等，可以在一定程度上控制这些金属原子团簇或纳米颗粒的原子数量，从而控制其直径。通过改变金属纳米带的几何形状，可以改变金属纳米带不同截面上的电流密度，从而决定电迁移主要发生的位置。结合上述两种控制方法，可以同时制备出多个彼此相邻的、直径在数埃至数纳米的金属纳米颗粒，相互之间的距离仅数埃至数纳米，形成多量子点结构。
[0008]本专利技术提供的技术方案如下：
[0009]一种多量子点结构的制备方法，具体步骤包括：
[0010]1)制备具有颈部结构的金属纳米带：通过光刻或电子束曝光、金属沉积和剥离技术，或聚焦离子束(FIB)局域沉积、自组装等方法，制备带有颈部的金属纳米带结构，金属纳
米带颈部最窄在中间位置，金属纳米带的厚度范围为5
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100nm，宽度范围为10～100nm；如图1(a)所示。
[0011]2)电学连接：将金属纳米带两端连接至控制器(图2)。
[0012]3)施加电压，设置电压波形为单一锯齿波，电圧设在0～3V范围，电压上升速率<1.5V/s，限流为<100mA，使金属纳米带的最窄位置处中有较高的电流密度，达到金属软化温度或高于熔点；并使金属纳米带的最窄位置处金属原子聚集成团簇或纳米颗粒；
[0013]4)利用控制器调节电学参数，再施加电压，多个原子团簇或纳米颗粒中的原子来不及沿既有结构迁移完毕，从而与金属纳米带断开，形成一系列独立的结构，从而获得多个量子点，如图1(c)所示。整个过程施加电压，电压波形为单一锯齿波，电圧设在0～3V范围，电压上升速率<1.5V/s，限流<100mA。
[0014]本专利技术可以通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等方法，直接表征多量子点结构；或者通过测量低温电学性能来验证源漏电极之间是否存在量子点结构。
[0015]本方法中多量子点结构的材料为金属(金、钯、铂、铝、铟、银、钽等)。连接电路可以为商用设备，如探针台系统等；也可使用自行设计制备的连接电路，如PCB版，或经流片制备的片上电路等。控制器可以为商用电路仪器设备，或自行设计加工的控制电路等等。商用电路仪器设备包括并不限于半导体分析仪或其它源表，自行设计加工的控制电路包括并不限于由电压源、电流源、可编程逻辑电路(FPGA、PLC等)、单片机系统(如单片机、树莓派等)搭建的驱动控制电路，自行设计流片的控制驱动芯片等。可编程控制器可以以分立元件或分立仪器设备形式(如源表和探针台系统)搭建，也可与用于制备多量子点结构的金属纳米带一起集成加工(如FPGA或片上集成电路)。控制器应当满足各项电学精度要求。
[0016]本专利技术通过对金属纳米带的几何形状进行设计，控制电迁移主要发生的位置，再利用电流焦耳热驱动的电迁移，调整电迁移过程中的电压、电流等电学参数，使发生迁移的一部分原子与既有结构断开连接，并且控制其平均原子量，从而制备出多量子点结构。
[0017]本专利技术的优点如下：
[0018]本专利技术中制备多量子点结构的方法，可以在一次制备过程中，形成彼此间距离仅数埃至数纳米的多量子点结构，量子点的直径从数埃至数纳米，因量子尺寸限域效应，量子点的能级会分裂而存在能隙。量子点间存在较强的相互作用。制备过程中使用电学方法，方便快捷。使用预先制备的金属纳米带结构制备多量子点结构，位置可通过几何形状的设计精确调节。本方法制备的多量子点结构应用广泛。
附图说明
[0019]图1.金属纳米带断裂制备多量子点结构的示意图；(a)含颈部的金属纳米带；(b)电迁移时的金属纳米带；(c)制备完毕的多量子点结构。其中：1：正极；2：负极；3：颈部；4：未完全断开连接的金属团簇或纳米颗粒；5：量子点；
[0020]图2.制备多量子点结构的控制装置示意图；其中：6：控制器；7：探针和连接电缆衬底；8：金属纳米带的颈部结构；9：金属纳米带；10：氮化硅薄膜；11：硅衬底；
[0021]图3.实施例1中制备的多量子点结构的透射电子显微镜照片；
[0022]图4.实施例2中多量子点共栅结构的低温电学测试曲线；
[0023]图5实施例2中多量子点共栅结构的微分库伦电导菱形图。
具体实施方式
[0024]下面参照本专利技术的附图，详细的描述出本专利技术的实施过程。
[0025]实施例一
[0026](1)在氮化硅(SiN)薄膜表面制备金属纳米带结构。使用氮化硅薄膜窗口作为衬底，制备金属纳米带结构。氮化硅薄膜窗口衬底可以作为TEM的观察衬底(如图3所示)。氮化硅绝缘层厚度10nm。经过电子束曝光，对光刻胶掩模进行图形化，然后使用电子束蒸发沉积金层，经丙酮浸泡剥离获得金属纳米带结构(图1(a))，其最窄部的直径约100nm，厚约10nm(图1(b))。金属纳米带的最窄处位于窗口范围内，以便制备后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多量子点结构的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：1)制备具有颈部结构的金属纳米带，金属纳米带的颈部结构的最窄在中间位置；2)电学连接：将金属纳米带两端连接至控制器；3)施加电压，设置电压波形为单一锯齿波，使金属纳米带的最窄位置处中有较高的电流密度，达到金属软化温度或高于熔点；并使金属纳米带的最窄位置处的金属原子聚集成团簇或纳米颗粒；4)利用控制器调节电学参数，再次施加电压，使多个金属原子团簇或纳米颗粒从金属电纳米带中断开，形成一系列独立的结构，从而获得多个量子点。2.如权利要求1所述的多量子点结构的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：田仲政，于达程，任中阳，田姣姣，任黎明，傅云义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：