專利名稱：用離子體輔助mocvd設(shè)備制備硫化鋅納米線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及納米材料的制備，具體地說(shuō)是利用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法。
背景技術(shù)：
作為納米材料的成員之一，納米線因其優(yōu)異的光學(xué)性能、電學(xué)性能及力學(xué)性能等特性而引起了凝聚態(tài)物理界、化學(xué)界及材料科學(xué)界科學(xué)家們的關(guān)注，成為近年來(lái)材料研究的熱點(diǎn)。ZnS是一種II-VI族寬帶隙半導(dǎo)體化合物，可用于平板顯示器、電致發(fā)光器件、紅外窗口等材料。此外，ZnS一維納米材料例如納米線、納米棒和納米帶等都顯示了一些不同與體材料的獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于在低維ZnS材料方面的研究工作正在迅速開展，納米線，納米管，納米柱，納米帶等都已經(jīng)被制備。雖然ZnS納米線也有報(bào)道，但由于是直接沉積而不是外延生長(zhǎng)，表現(xiàn)出排列方向的無(wú)序性。這些ZnS納米線一般采用ZnS粉末熱蒸發(fā)和化學(xué)合成的方法。由于受制備方法的制約，所生成的產(chǎn)物中還有其它形態(tài)的成份，如納米棒及納米顆粒等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備重復(fù)性優(yōu)、可控性好的ZnS納米線的方法。利用等離子體的高活性來(lái)增加Zn與S離子的遷移能力，實(shí)現(xiàn)表面的再構(gòu)。通過(guò)控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)小尺寸(納米)線狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，無(wú)需模板或催化劑，具體地說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)了利用等離子輔助MOCVD制備ZnS納米線的方法。
本發(fā)明所涉及的制備技術(shù)為等離子體輔助的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。由高頻感應(yīng)線圈產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)，使氣源離化，增加反應(yīng)活性。因此，在襯底表面生成的ZnS極性比較強(qiáng)容易在表面產(chǎn)生遷移，形成最初的ZnS納米球狀結(jié)構(gòu)，繼續(xù)生長(zhǎng)形成ZnS的納米線。
為了更清楚地理解本發(fā)明，下面詳述ZnS納米線制備過(guò)程。
首先在金屬有機(jī)氣相沉積生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨基座上，放入清洗好的藍(lán)寶石或Si襯底，在機(jī)械泵和低壓控制器作用下將生長(zhǎng)室壓力控制在1.33×103-2.67×103Pa，調(diào)節(jié)高頻感應(yīng)電源使等離子體頻率為0.3-0.5MHz?？梢赃x用其它襯底，所用的其它襯底結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與藍(lán)寶石或Si類似，具有六角結(jié)構(gòu)的材料作襯底較好。在襯底生長(zhǎng)溫度升至600-700℃時(shí)，通入由鈀管純化99.999％的高純氫氣，對(duì)襯底處理10-20分鐘，以除去表面殘留的雜質(zhì)，然后依次通入由高純氫氣攜帶的硫化氫H2S，二甲基鋅DMZn至生長(zhǎng)室內(nèi)。硫化氫H2S的流量為20-40ml/min，二甲基鋅DMZn的流量為10-20ml/min，總的氫氣載氣控制在2L/min。通過(guò)冷阱裝置將Zn源的溫度控制在-27℃左右，即可在等離子體協(xié)助下完成ZnS納米線陣列的生長(zhǎng)。生長(zhǎng)時(shí)間為50-60分鐘，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，無(wú)模板或催化劑引入。
本發(fā)明利用等離子體輔助的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制備半導(dǎo)體材料，具有其它生長(zhǎng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)研究和制備器件的較佳方法。無(wú)需引入催化劑或模板，即可定向生長(zhǎng)出較高質(zhì)量的ZnS納米線。根據(jù)ZnS極性面與非極性面穩(wěn)定性的關(guān)系，直接通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體中離子與ZnS的作用，不借助于模板或催化劑，得到了ZnS納米線陣列，無(wú)其它雜質(zhì)及形態(tài)，如納米顆粒及納米片等。通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度可以生長(zhǎng)出不同直徑的納米線。因此，用這種方法制備出的ZnS納米線可以作為一種接近理想的科學(xué)研究材料，為以后納米器件的制備及實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
所以對(duì)于生長(zhǎng)一維納米結(jié)構(gòu)，利用這種等離子輔助的MOCVD設(shè)備無(wú)需采用任何一種催化劑。此外，MOCVD設(shè)備造價(jià)低廉，操作方便，又適于大規(guī)模化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，在藍(lán)寶石和硅襯底上生長(zhǎng)直徑約為100nm的納米線。
采用自己組裝的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，首先把清洗好的藍(lán)寶石和Si襯底，放在金屬有機(jī)氣相沉積生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨基座上，在機(jī)械泵和低壓控制器作用下將生長(zhǎng)室壓力控制在2.13×103Pa，調(diào)節(jié)高頻感應(yīng)電源使等離子體頻率為0.3MHz。在襯底生長(zhǎng)溫度升至600℃時(shí)，通入由鈀管純化99.999％的高純氫氣，對(duì)襯底處理10-20分鐘。然后依次通入由高純氫氣攜帶的硫化氫H2S，其流量為30ml/min，二甲基鋅DMZn的流量為15ml/min，至生長(zhǎng)室內(nèi)?？偟臍錃廨d氣控制在2L/min。通過(guò)冷阱裝置將Zn源的溫度控制在-27℃，生長(zhǎng)時(shí)間為50分鐘，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，無(wú)模板或催化劑引入。
鋅源和硫源載氣的流量分別為1200ml/min，、600ml/min，高頻感應(yīng)電壓為2.5KV。
利用本發(fā)明，在藍(lán)寶石、硅襯底上制備了直徑約為100nm的ZnS納米線。X射線衍射測(cè)量表明已經(jīng)在襯底上生長(zhǎng)出具有擇優(yōu)取向?yàn)?002)方向的ZnS納米線。單個(gè)納米線高約250-300納米，直徑約100納米。
實(shí)施例2，在藍(lán)寶石和硅襯底上生長(zhǎng)直徑約為25-30nm的納米線。
采用自己組裝的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，首先把清洗好的藍(lán)寶石和Si襯底，放在金屬有機(jī)氣相沉積生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨基座上，在機(jī)械泵和低壓控制器作用下將生長(zhǎng)室壓力控制在1.33×103Pa，調(diào)節(jié)高頻感應(yīng)電源使等離子體頻率為0.3MHz。在襯底生長(zhǎng)溫度升至700℃時(shí)，通入由鈀管純化99.999％的高純氫氣，對(duì)襯底處理10-20分鐘。然后依次通入由高純氫氣攜帶的硫化氫H2S，其流量為30ml/min，二甲基鋅DMZn的流量為15ml/min，至生長(zhǎng)室內(nèi)?？偟臍錃廨d氣控制在2L/min。通過(guò)冷阱裝置將Zn源的溫度控制在-27℃，生長(zhǎng)時(shí)間為50分鐘，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，無(wú)模板或催化劑引入。
鋅源和硫源載氣的流量分別為1200ml/min，、600ml/min，高頻感應(yīng)電壓為3.5KV。
利用本發(fā)明，在藍(lán)寶石、硅襯底上制備了直徑約為25-30nm的ZnS納米線。X射線衍射測(cè)量表明已經(jīng)在襯底上生長(zhǎng)出具有擇優(yōu)取向?yàn)?002)方向的ZnS納米線。單個(gè)納米線高約200-300納米，直徑約為25-30nm的納米線。室溫光致發(fā)光譜表明獲得了較強(qiáng)的自由激子發(fā)射峰且出現(xiàn)了量子尺寸效應(yīng)引起的發(fā)光峰藍(lán)移現(xiàn)象。
實(shí)施例3，在藍(lán)寶石和硅襯底上生長(zhǎng)納米球。
采用自己組裝的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，首先把清洗好的藍(lán)寶石和Si襯底，放在金屬有機(jī)氣相沉積生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨基座上，在機(jī)械泵和低壓控制器作用下將生長(zhǎng)室壓力控制在1.33×103Pa，調(diào)節(jié)高頻感應(yīng)電源使等離子體頻率為0.3MHz。在襯底生長(zhǎng)溫度升至700℃時(shí)，通入由鈀管純化99.999％的高純氫氣，對(duì)襯底處理10-20分鐘。然后依次通入由高純氫氣攜帶的硫化氫H2S，其流量為30ml/min，二甲基鋅DMZn的流量為15ml/min，至生長(zhǎng)室內(nèi)?？偟臍錃廨d氣控制在2L/min。通過(guò)冷阱裝置將Zn源的溫度控制在-27℃，生長(zhǎng)時(shí)間為10分鐘，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，無(wú)模板或催化劑引入。
鋅源和硫源載氣的流量分別為1200ml/min，、600ml/min，高頻感應(yīng)電壓為3.5KV。
為了研究納米線的生長(zhǎng)機(jī)理，利用本發(fā)明在藍(lán)寶石和硅襯底上生長(zhǎng)10分鐘的納米線。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)發(fā)現(xiàn)在襯底上均勻分布著一些直徑為25-30nm的納米球，球的直徑與線的直徑是相同的，這些納米球被歸結(jié)為納米線最初的成核。
權(quán)利要求
1.一種用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法，其特征在于首先是在金屬有機(jī)氣相沉積生長(zhǎng)室加熱基座上放入清洗好的藍(lán)寶石和硅襯底，由機(jī)械泵和低壓控制器使生長(zhǎng)室壓力控制在1.33×103-2.67×103Pa，再施加高頻感應(yīng)電源使等離子體頻率為0.3-0.5MHz；在襯底生長(zhǎng)溫度升至600-700℃時(shí)，通入由鈀管純化的高純氫氣，然后依次通入高純氫氣攜帶的硫化氫H2S，二甲基鋅DMZn；通過(guò)冷阱裝置將Zn源的溫度控制在-27℃，在等離子體協(xié)助下完成ZnS納米線的生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法，其特征在于二甲基鋅DMZn的流量為10-20ml/min，H2S氣體流量為20-40ml/min，總的氫氣載氣控制在2L/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法，其特征在于鋅源和硫源載氣的流量分別為1200-ml/min，600-ml/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法，其特征在于生長(zhǎng)室壓力控制在2.13×103Pa，生長(zhǎng)溫度為600℃，二甲基鋅DMZn的流量為15ml/min，H2S氣體流量為30ml/min，鋅源和硫源載氣的流量分別為1200ml/min，600ml/min，生長(zhǎng)時(shí)間為50分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法，其特征在于生長(zhǎng)室壓力控制在1.33×103Pa，生長(zhǎng)溫度為700℃，二甲基鋅DMZn的流量為15ml/min，H2S氣體流量為30ml/min，鋅源和硫源載氣的流量分別為1200ml/min，600ml/min，生長(zhǎng)時(shí)間為50分鐘
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用等離子輔助MOCVD設(shè)備制備硫化物納米線的方法，其特征在于生長(zhǎng)室壓力控制在1.33×103Pa，生長(zhǎng)溫度為700℃，二甲基鋅DMZn的流量為15ml/min，H2S氣體流量為30ml/min，鋅源和硫源載氣的流量分別為1200ml/min，600ml/min，生長(zhǎng)時(shí)間為10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用等離子體輔助的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法制備硫化物納米線的方法。利用ZnS極性與非極性表面穩(wěn)定性的不同，采用等離子處理的方法，由高頻感應(yīng)線圈產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)，使氣源離化，增加反應(yīng)活性。在襯底表面生成的ZnS極性比較強(qiáng)容易在表面產(chǎn)生遷移，形成最初的ZnS納米球狀結(jié)構(gòu)，繼續(xù)生長(zhǎng)形成ZnS的納米線。本發(fā)明無(wú)需引入催化劑或模板，即可定向生長(zhǎng)得到了ZnS納米線陣列，無(wú)其它雜質(zhì)及形態(tài)。通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度可以生長(zhǎng)出不同直徑的納米線。因此，用這種方法制備出的ZnS納米線可以作為一種接近理想的科學(xué)研究材料，為以后納米器件的制備及實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)C01G9/08GK1733608SQ200410011349
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者馮秋菊, 申德振, 張吉英, 呂有明, 劉益春, 范希武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所