异质纳米线制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于组分变化结构的异质兼容纳米线的外延生长方法，其中纳米线由不同晶格常数的各种材料的沿单一轴向串接而成，所述方法包括如下步骤：ａ．在衬底上形成金属纳米颗粒；ｂ．以所述金属纳米颗粒作为催化剂，在所述有金属颗粒的位置，生长出第一种材料的纳米线；ｃ．在所述第一种材料纳米线上继续生长出晶格常数逐渐改变的纳米线缓冲段；ｄ．然后生长第二种材料的纳米线。本发明专利技术利用组分变化结构的晶格常数变化特性，实现不同晶格常数材料纳米线的单一轴向可控生长。本发明专利技术能成功解决晶格失配的纳米线材料间外延生长的问题，为实现新型纳米线光电子器件提供新思路。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及一种纳米线的外延生长方法，特别是基于组分变化结构的异质纳米线制备方法，其中纳米线的轴向可以串接不同晶格常数的各种材料。
技术介绍
：纳米线结构在新一代的电子器件和光电器件中有着巨大的应用前景[Huang Y，et al.，“Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks，”Science，vol.294，pp.1313-1317，2001]。特别是自下而上(bottom-up)外延生长的自支撑(free standing)纳米线具有更高的晶体质量、生长方向更易于控制、更易于集成[R.S.Wagner，et al.，Applied Physics Letters，vol.4，89，1964；E.I.Givargizov，Journal of Crystal Growth，Vol.31，20，1975；Erik Bakkers，et al.，Materials Research Society，vol.1068，223，2008.Hannah J.joyce，et al.，Nano Letters，Vol.9，No.2，695，2009]。同时，新型高性能的光电子器件通常需要将各种不同晶格常数的材料集成在一起，以实现集各种材料的优异性能于一体。由于纳米线结构可以容忍一定程度的径向形变，这有助于解决不同晶格常数的材料间集成的问题；但晶格常数相差较大时仍然存在以下问题：纳米线轴向上串接不同晶格常数的材料时，如果纳米线直径超过某一临界直径(该临界直径由晶格失配度决定，晶格失配度＝((材料A晶格常数-材料B晶格常数)/材料B晶格常数)×100％)，纳米线的径向形变无法容纳晶格失配位移，于是产生了晶体缺陷和残余应力，这导致纳米线的扭曲生长[Mohanchand Paladugu，，et al.，“Novel Growth Phenomena Observed in Axial InAs GaAs Nanowire Heterostructures”Small，vol.4，pp.1873-1877，2007]。有鉴于此，探索新的外延生长方案，解决纳米线轴向不同材料之间晶格失配所带来的问题，提高纳米线的晶体质量和生长可控性，是本专利技术的创研动机所在。本专利技术设计人凭借多年的半导体材料外延的实际经验，在反复研究论证的基础上，终得本专利技术的产生。
技术实现思路
：本专利技术的目的是解决纳米线轴向不同材料之间晶格失配所带来的生长方向扭曲的问题。本专利技术提供一种异质纳米线制备方法，其特征在于：纳米线由不同晶格常数的各种材料的沿单一轴向串接而成，所述方法包括如下步骤：a.在衬底上形成金属纳米颗粒；b.以所述金属纳米颗粒作为催化剂，在所述有金属颗粒的位置，生长出第一种材料的纳米线；c.在所述第一种材料纳米线上继续生长出晶格常数逐渐改变的纳米线缓冲段；d.然后生长第二种材料的纳米线。-->其中所述第一种材料与第二种材料间存在的晶格失配度超过0.1％。所述第一种材料、第二种材料和纳米线缓冲段的生长高度均不小于0.1纳米。纳米线缓冲段由第一种材料的晶格常数过渡到第二种材料的晶格常数。所述纳米线缓冲段通过增加或者减少晶格常数以实现第一种材料的晶格常数过渡到第二种材料的晶格常数，其中晶格常数每次的改变量为Δa≤|aA-aB|。其中：第一种材料的晶格常(0.1纳米≤L1≤100微米)，第二种材料的晶格常数为aB，高度为L2(0.1纳米≤L2≤100微米)；第一种材料与第二种材料存在较大的晶格失配(晶格失配度≥0.1％)；纳米线缓冲段是晶格常数为ao(当aA≤aB时，aA≤ao≤aB；当aB≤aA时，aB≤ao≤aA)，高度为L3(0.1纳米≤L3≤100微米)的三元或者四元化合物半导体(三元化合物半导体AxB1-xC的晶格常数a＝xaAC+(1-x)aBC，其中0≤x≤1；四元化合物半导体AxB1-xCyD1-y的晶格常数a’＝xyaAC+x(1-y)aAD+(1-x)yaBC+(1-x)(1-y)aBD，其中0≤x≤1，0≤y≤1)；纳米线缓冲段将第一种材料的晶格常数过渡到第二种材料的晶格常数；晶格常数逐渐变化的纳米线缓冲段是通过改变三元或者四元化合物半导体材料中的各元素占总元素的百分比(即改变x、y的值)来实现晶格常数的增加或者减少(晶格常数每次变化量Δa≤|aA-aB|)。所述纳米线缓冲段材料的晶格常数改变是通过改变三元或者四元化合物半导体材料中的各元素摩尔比来实现。所述第一种材料选自III-V族半导体材料或IV族半导体材料，优选自以下晶体：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化铟(InAs)或锗硅(GeSi)。所述第二种材料选自III-V族半导体材料或IV族半导体材料，优选自以下晶体：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化铟(InAs)或锗硅(GeSi)。所述纳米线缓冲段材料选自III-V族三元或者四元化合物半导体材料，优选自以下晶体：铟镓砷(InGaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟铝砷(InAlAs)、铟镓磷(InGaP)、镓砷磷(GaAsP)、铟镓氮(InGaN)铟砷磷(InAsP)、铟镓砷磷(InGaAsP)。本专利技术的方案通过改变材料中各元素的百分比来实现材料晶格常数的过渡，以逐步释放应变和应力，从而实现不同晶格常数材料纳米线的单一轴向串接。附图说明：图1(a)为晶体衬底上形成金属纳米颗粒的示意图；图1(b)为晶体衬底上金属纳米颗粒作为催化剂生长的第一类材料纳米线示意图。图1(c)为晶体衬底上金属纳米颗粒作为催化剂生长的含有第一类材料和纳米线缓冲段的异质结构纳米线示意图。图1(d)为晶体衬底上金属纳米颗粒作为催化剂生长的含有第一类材料、纳米线缓冲段和第二类材料的异质结构纳米线示意图。图2(a)为晶体衬底上形成金属纳米颗粒的示意图。图2(b)为晶体衬底上金属纳米颗粒作为催化剂生长的纳米线缓冲段示意图。图2(c)为晶体衬底上金属纳米颗粒作为催化剂生长的含有纳米线缓冲段和第二类材料纳米线的异质结构纳米线示意图。-->图3(a)为GaAs B衬底上形成金纳米颗粒原子力显微镜(AFM)图。图3(b)为GaAs B衬底上金纳米颗粒作为催化剂生长的GaAs纳米线扫描电子显微镜图(SEM)。图3(c)为GaAs B衬底上金纳米颗粒作为催化剂生长的GaAs/InxGa1-xAs/InAs(0≤x≤1)异质结构纳米线扫描电子显微镜图，沿着生长方向，x逐渐由0变到1，实现晶格常数由GaAs的晶格常数过渡到InAs的晶格常数。图3(d)为GaAs B衬底上生长的GaAs/InAs异质结构纳米线SEM图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术进行详细说明以便更好了解本专利技术的实质。例1：Si/GaP/GaAsxP1-x/InP异质外延纳米线的生长1.首先，在Si 120衬底上镀一层约5nm厚的金薄膜，经过高温退火，得到直径约为40至250nm的金纳米颗粒110，如图1(a)所示；2.然后以金纳米颗粒110作为催化剂，利用半导体外延生长工艺，在有金纳米颗粒110的位置，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质纳米线制备方法，其特征在于：纳米线由不同晶格常数的各种材料的沿单一轴向串接而成，所述方法包括如下步骤：ａ．在衬底上形成金属纳米颗粒；ｂ．以所述金属纳米颗粒作为催化剂，在所述有金属颗粒的位置，生长出第一种材料的纳米线；ｃ．在所述第一种材料纳米线上继续生长出晶格常数逐渐改变的纳米线缓冲段；ｄ．然后生长第二种材料的纳米线。

【技术特征摘要】
1.一种异质纳米线制备方法，其特征在于：纳米线由不同晶格常数的各种材料的沿单一轴向串接而成，所述方法包括如下步骤：a.在衬底上形成金属纳米颗粒；b.以所述金属纳米颗粒作为催化剂，在所述有金属颗粒的位置，生长出第一种材料的纳米线；c.在所述第一种材料纳米线上继续生长出晶格常数逐渐改变的纳米线缓冲段；d.然后生长第二种材料的纳米线。2.根据权利要求1所述的异质纳米线制备方法，其特征在于：第一种材料与第二种材料间存在的晶格失配度超过0.1％。3.根据权利要求1所述的异质纳米线制备方法，其特征在于：所述第一种材料、第二种材料和纳米线缓冲段的生长高度均不小于0.1纳米。4.根据权利要求1所述的异质纳米线制备方法，其特征在于：纳米线缓冲段由第一种材料的晶格常数过渡到第二种材料的晶格常数。5.根据权利要求4所述的异质纳米线制备方法，其特征在于：所述纳米线缓冲段通过增加或者减少晶格常数以实现第一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉，任晓敏，叶显，郭经纬，蔡世伟，黄永清，王琦，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]