專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米半導(dǎo)體微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電紡絲技術(shù)并結(jié)合水熱合成技術(shù)制備具有多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米半導(dǎo)體材料，并用于構(gòu)筑高性能穩(wěn)定微電子器件的方法。
背景技術(shù)：
微電子器件由于具有體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快、讀寫(xiě)密度高等優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)信息時(shí)代的發(fā)展具有巨大的影響。場(chǎng)效應(yīng)晶體管是當(dāng)前半導(dǎo)體電子器件中最簡(jiǎn)單也是最重要的結(jié)構(gòu)單元，是目前被研究最為深入的一種器件。根據(jù)材料種類(lèi)可以分為無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，雖然有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在價(jià)格、柔性及器件制作和操作上相比無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管有很大的優(yōu)勢(shì)，但是更低的電子遷移率(一般在O.Olcni/Vs以下)成為限制其真正應(yīng)用與發(fā)展的瓶頸。此外，現(xiàn)有的有機(jī)和無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在壽命和穩(wěn)定性上也是無(wú)法滿足當(dāng)前的電子工業(yè)需求的，尚需要進(jìn)一步提高。并且以往的方法有時(shí)需要復(fù)雜的處理過(guò)程，這會(huì)增加工藝程度，價(jià)格也會(huì)升高不利于推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用電紡絲技術(shù)并結(jié)合水熱合成技術(shù)制備具有多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米半導(dǎo)體材料，并用于構(gòu)筑高性能穩(wěn)定微電子器件的方法。準(zhǔn)一維微納米結(jié)構(gòu)由于具有大的比表面積與長(zhǎng)徑比，因而具備了優(yōu)異的電子特性，近年來(lái)備受關(guān)注。而靜電紡絲技術(shù)是一種能夠生產(chǎn)超長(zhǎng)連續(xù)的一維微納米材料的方法， 且該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，使用材料廣泛以及產(chǎn)出纖維尺寸均勻，比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被證明是一種有效的、方便的組裝電子器件的新方法。因此在本發(fā)明中，我們提供了一種利用靜電紡絲技術(shù)并結(jié)合水熱合成技術(shù)制備具有多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米半導(dǎo)體材料，并用于構(gòu)筑高性能穩(wěn)定微電子器件的方法。該多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料是以電紡燒結(jié)得到的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維為主干，通過(guò)水熱反應(yīng)后續(xù)在纖維表面沉積生長(zhǎng)無(wú)機(jī)氧化物納米棒，獲得準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。之后組裝成場(chǎng)效應(yīng)晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有超高的電子遷移率，并且長(zhǎng)壽命及高穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它大多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如銳鈦礦二氧化鈦納米纖維/金紅石二氧化鈦納米棒多級(jí)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管最大電子遷移率可以達(dá)到10cm7Vs以上，隨著時(shí)間延長(zhǎng)和濕度的增大，性能幾乎沒(méi)有出現(xiàn)衰減。本發(fā)明所述方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，重復(fù)性好，能夠制備出長(zhǎng)效、穩(wěn)定且高性能的無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可以為電子領(lǐng)域高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管的發(fā)展與應(yīng)用開(kāi)拓思路。本發(fā)明所述的通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑高性能穩(wěn)定微電子器件，其包括如下步驟一 準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料的制備A.將0. 3 Ig可溶性高分子化合物加入到5 IOml溶劑1 (N，N-二甲基甲酰胺、 乙醇和水中的一種或幾種)中，在室溫 100°c條件下攪拌至溶液完全澄清，然后冷卻至室
B.將0. 2 2. Og可溶性無(wú)機(jī)鹽或可溶性無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體加入到3 6ml溶劑 2(N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、乙酸和水中的一種或幾種)中，干燥條件下劇烈攪拌使其混合均勻；然后將獲得的溶液快速加入到步驟A的溶液中，攪拌使兩種溶液混合均勻；C.將步驟B獲得的混合溶液放入靜電紡絲設(shè)備的玻璃噴絲管中，玻璃噴絲管的管頭內(nèi)徑為0. 5 3mm，以鋁套為陽(yáng)極，用間距為2 3cm的兩條平行鋁條或不銹鋼條作為陰極板接受產(chǎn)物，兩極間的距離為10 30cm，在兩極間施加6 30KV的電壓進(jìn)行電紡絲，從而在陰極上獲得平行排列的含有高分子化合物的納米纖維；D.用清洗干凈的石英片把陰極板間的含有高分子化合物的納米纖維收集起來(lái)，在空氣中放置10 20小時(shí)，然后在400 700°C溫度下燒結(jié)3 5小時(shí)以除去高分子化合物；或直接將陰極板與含有高分子化合物的納米纖維在400 700°C溫度下燒結(jié)3 5小時(shí)后，再用清洗干凈的石英片或聚四氟乙烯襯底收集氧化物纖維；從而在石英片或聚四氟乙烯襯底上得到直徑50 300nm的平行排列的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維；E.另取0. 1 2. Og可溶性無(wú)機(jī)鹽或可溶性無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體與10 40ml的溶劑3(乙醇、鹽酸和水中的一種或幾種)混合均勻，將該溶液與步驟D中獲得的石英片或聚四氟乙烯襯底轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜的體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)，從而在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)大量的無(wú)機(jī)氧化物納米棒，然后取出襯底洗滌干燥，即在石英片或聚四氟乙烯襯底表面得到具有準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)氧化物納米材料；進(jìn)一步地，在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氧化物納米棒為氧化鋅時(shí)，襯底用石英片，水熱體系為可溶性鋅鹽、六次甲基四胺和水的混合溶液，其中鋅鹽濃度為0. 01 0. 04mol/L,六次甲基四胺濃度約為0. 005 0. 01mol/L,水熱條件為80 100°C反應(yīng)1 8小時(shí)；在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氧化物納米棒為二氧化錫時(shí)，襯底用聚四氟乙烯，水熱體系為可溶性錫鹽、氫氧化鈉、水、乙醇(或乙二胺)的混合溶液，其中水與乙醇(或乙二胺)等體積混合，錫鹽濃度為0. 04 0. 07mol/L, 氫氧化鈉濃度為0. 31 0. 44mol/L，水熱條件為180 250°C反應(yīng)1 48小時(shí)；在步驟D 的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氧化物納米棒為二氧化鈦時(shí)，襯底用石英片， 水熱體系為可溶性二氧化鈦前驅(qū)體、水和鹽酸(濃度約為12mol/L)，其中水與鹽酸等體積混合，二氧化鈦前驅(qū)體濃度為0. 01 0. 05mol/L水熱條件為100 200°C反應(yīng)1 5小時(shí)。本發(fā)明方法中所述的可溶性高分子化合物是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯腈；所述的可溶性無(wú)機(jī)鹽是可溶性鋅鹽，如醋酸鋅、硝酸鋅或氯化鋅；可溶性錫鹽，如四氯化錫或二氯化錫；可溶性無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體為可溶性二氧化鈦前驅(qū)體，如鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯或四氯化鈦。二 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的組裝，場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)。F.源、漏電極的制作將步驟E獲得的石英片或聚四氟乙烯襯底送進(jìn)真空鍍膜機(jī)， 通過(guò)與源、漏電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩膜版在襯底表面的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)氧化物納米材料上蒸鍍50 IOOnm厚的鋁電極，從而形成源、漏電極結(jié)構(gòu)，源、漏電極間的距離即溝道寬度為60 ΙΟΟμπι，源、漏電極的連線與無(wú)機(jī)氧化物納米纖維的方向相一致；G.柵電極與柵絕緣層的制備選用η型<100>硅片，厚度為1 2mm，電阻率為 3 5ΜΩ ^m,采用干氧氧化法在該硅片上生長(zhǎng)SiO2柵絕緣層，生長(zhǎng)溫度為900 1200°C，SiO2柵絕緣層的厚度為1500 2000nm，然后將表面具有SiO2柵絕緣層的硅片劃片為寬1 2mm、長(zhǎng)1 3cm的條形結(jié)構(gòu)，清洗并烘干；H.將聚乙烯吡咯烷酮與去離子水混合制備成粘稠液，用清潔的針尖取兩小滴粘稠液置于蒸鍍有鋁電極一側(cè)的石英片或聚四氟乙烯襯底的兩端，兩粘稠液滴間的連線與無(wú)機(jī)氧化物納米纖維的方向相垂直，將步驟G中制備的條形結(jié)構(gòu)的硅片置于粘稠液滴上方，并用力將其壓緊至SiO2或氮化硅柵絕緣層與鋁電極貼緊，待粘稠液干燥凝固后，制備得到長(zhǎng)效、穩(wěn)定且高性能的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；在這一器件結(jié)構(gòu)中，空氣會(huì)填充于源、漏電極之間的溝道內(nèi)，因此它與SiO2層同時(shí)作為該器件的絕緣層。測(cè)試系統(tǒng)采用Keithley 4200 Sourcemeter及與其配套的屏蔽系統(tǒng)，測(cè)試在室溫、 相對(duì)濕度為5% RH 20% RH的條件下進(jìn)行，穩(wěn)定性測(cè)試在室溫、相對(duì)濕度為11% RH 85% RH的條件下進(jìn)行，本發(fā)明中柵絕緣層也可用氮化硅層代替SiO2層。三本發(fā)明中晶體管遷移率的計(jì)算有飽和區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管遷移率的計(jì)算采用公式Ids = (Ci μ W/2L) (Ves_VT)2，其中 Ids為漏電流，Vgs柵壓，Vt為開(kāi)啟電壓，W為準(zhǔn)一維納米材料的直徑與材料數(shù)量的乘積(單根器件W就是材料的直徑)，L為溝道寬，Ci是絕緣層單位面積電容(ieOOnm 二氧化硅和干燥空氣一起作為絕緣層時(shí)Ci = 2. 16 * 10_5F/m2 ；200nm氮化硅和干燥空氣一起作為絕緣層的時(shí)候 Ci = 3. 45 * l(T4F/m2，計(jì)算方法可參考 small 2011，7，No. 5，597 600)。線性區(qū)的晶體管遷移率的計(jì)算公式采用Ids= μ (VL[ (Vk-Vt) VDS_1/2Vds2]，各項(xiàng)的代表意義同上，Vds為源漏電壓。本發(fā)明的機(jī)制可做如下理解可溶性無(wú)機(jī)鹽或無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體與高分子混合溶解后進(jìn)行高壓混紡，得到以高分子為模板的復(fù)合纖維。根據(jù)所選的金屬前驅(qū)體和高分子，選擇適合的燒結(jié)溫度和升溫程序，在高溫下將復(fù)合纖維中的高分子模板燒除，同時(shí)使金屬鹽在高溫下氧化并結(jié)晶，形成陶瓷半導(dǎo)體金屬氧化物基納米纖維。然后置于高溫高壓的水熱反應(yīng)釜中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間新生成的無(wú)機(jī)氧化物納米棒均勻的沉積在主干纖維表面，并不斷變長(zhǎng)變粗。在樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料中，這些外圍的單晶氧化物納米棒具有更高的結(jié)晶性，另外它們與主干氧化物纖維之間的形成了無(wú)數(shù)的界面，所有這些都極大的提高了器件的特性，比如飽和區(qū)的出現(xiàn)、開(kāi)關(guān)比的增大及電子遷移率的提高等。當(dāng)無(wú)數(shù)的納米棒暴露在不同濕度的空氣中時(shí)納米棒表面載流子濃度發(fā)生變化，但是由于介面的存在，這種變化無(wú)法傳遞到主干纖維中，從而對(duì)器件有一定的保護(hù)作用，使器件的壽命和穩(wěn)定性明顯改善。本發(fā)明首次通過(guò)水熱反應(yīng)在氧化物表面沉積納米棒做成準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料來(lái)提高無(wú)機(jī)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性，并且獲得了令人驚訝的結(jié)果， 除了開(kāi)關(guān)比和電子遷移率的提高外，器件的壽命和穩(wěn)定性也得到了極大的改善。該方法具有制備工藝簡(jiǎn)單，便于操作和重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，且生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單方便，對(duì)生產(chǎn)條件要求較低，生產(chǎn)成本低廉，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，易于推廣和應(yīng)用。


圖1 為本發(fā)明實(shí)施例1、2和3為例的銳鈦礦納米纖維在水熱環(huán)境中表面生長(zhǎng)金紅石納米棒的過(guò)程示意圖及斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本發(fā)明各實(shí)施例中所制得準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料裝配成器件
6的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 實(shí)施例1所制得的銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維透射電鏡照片；插圖是其電子衍射圖案，圖片標(biāo)尺100nm ；圖4 實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的掃描電鏡片，圖片標(biāo)尺5 μ m ；圖5 實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的掃描電鏡片，圖片標(biāo)尺500nm ；圖6 實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的輸出特性曲線，插圖為晶體管掃描電鏡的照片；圖7 實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線；圖8 實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果；圖9 實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的濕度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果；圖10 實(shí)施例2所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料透射電鏡照片，圖片標(biāo)尺 200nm ；圖11 實(shí)施例2所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的輸出特性曲線，插圖為晶體管掃描電鏡的照片；圖12:實(shí)施例3所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料透射電鏡照片，圖片標(biāo)尺 IOOnm ；圖13 實(shí)施例3所制得的以銳鈦礦晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石晶型二氧化鈦納米纖維為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的輸出特性曲線，插圖為晶體管掃描電鏡的照片；如圖1所示，將燒結(jié)得到的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維置于水熱反應(yīng)環(huán)境中，開(kāi)始反應(yīng)很短的時(shí)間后，一些稀疏的氧化物納米粒子開(kāi)始在纖維表面沉積，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間納米粒子不斷生長(zhǎng)變成稀疏的納米棒，繼續(xù)延長(zhǎng)水熱反應(yīng)時(shí)間，納米棒逐漸變長(zhǎng)變粗，直到反應(yīng)結(jié)束，纖維表面沉積無(wú)數(shù)緊密的納米棒，納米棒排列方向垂直于纖維的外表面。如圖2所示，1為柵極η型Si、2為SiO2柵絕緣層、3為石英片或聚四氟乙烯片襯底、4為作為源漏電極的鋁層、5為燒結(jié)之后的氧化物納米纖維、6為水熱反應(yīng)后在纖維表面沉積生長(zhǎng)的氧化物納米棒。如圖3所示，實(shí)施例1所制得的二氧化鈦納米纖維透射電鏡照片及電子衍射結(jié)果， 可以看出本發(fā)明制得的二氧化鈦的納米纖維表面是粗糙的，直徑均一，纖維直徑大體分布在80 200納米之間。從電子衍射環(huán)可以看出，二氧化鈦為多晶的銳鈦礦結(jié)構(gòu)。如圖4所示，實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料掃描電鏡照片，可以看出本發(fā)明制得的材料形貌良好，直徑均一，金紅石納米棒緊密且均勻的排列在銳鈦礦納米纖維的表面。如圖5所示，實(shí)施例1所制得的以銳鈦礦二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料透射電鏡照片，插圖給出的是表面二氧化鈦納米棒的電子衍射圖。可以看出水熱反應(yīng)沉積的二氧化鈦為單晶的金紅石結(jié)構(gòu)。如圖6所示，實(shí)施例1所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的輸出特性曲線，該晶體管表現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的η型特性。在小電壓下漏電流線性增加，而在大電壓下漏電流達(dá)到飽和。插圖給出的是晶體管溝道的掃描電鏡圖片，該晶體管是五根納米材料晶體管。如圖7所示，實(shí)施例1所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。該晶體管的開(kāi)啟電壓為-55伏，場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率超過(guò)10cm2/Vs。如圖8所示，實(shí)施例1所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管在室溫空氣中放置二個(gè)月，連續(xù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)在源漏電壓為40伏，柵極電壓為20伏時(shí)， 器件的電流幾乎沒(méi)有衰減，表明我們這種結(jié)構(gòu)的晶體管穩(wěn)定性好壽命較長(zhǎng)。如圖9所示，實(shí)施例1所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管室溫下在不同濕度的環(huán)境中測(cè)試，在源漏電壓為40伏，柵極電壓為20伏時(shí)，器件的電流隨濕度的升高幾乎沒(méi)有變化，表明我們這種結(jié)構(gòu)的晶體管具有很好的濕度穩(wěn)定性。如圖10所示，實(shí)施例2所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的透射照片，與圖5比較可以看出，水熱反應(yīng)3個(gè)小時(shí)纖維表面沉積的納米棒明顯要比水熱反應(yīng)4個(gè)小時(shí)的短且細(xì)，納米棒排列也較為稀疏。如圖11所示，實(shí)施例2所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的輸出特性曲線，該晶體管仍然表現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的η型特性。在小電壓下漏電流線性增加，而在大電壓下漏電流達(dá)到飽和。但是與圖6比較，漏電流達(dá)到飽和時(shí)的源漏電壓明顯增大。插圖給出的是晶體管溝道的掃描電鏡圖片，該晶體管是兩根納米材料晶體管。如圖12所示，實(shí)施例3所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的透射照片，與圖5和圖10比較可以看出，水熱反應(yīng)2個(gè)小時(shí)，纖維表面沉積的納米棒要更短更細(xì)，排列也更稀疏，這些變化與圖1所給的生長(zhǎng)過(guò)程示意圖也是相吻合的。如圖13所示，實(shí)施例3所制得的準(zhǔn)一維銳鈦礦/金紅石樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料晶體管的輸出特性曲線，該晶體管依然表現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的η型特性。但是與圖6和圖11比較， 在源漏電壓增加到70伏時(shí)漏電流仍沒(méi)出達(dá)到飽和。插圖給出的是晶體管溝道的掃描電鏡圖片，該晶體管是四根納米材料晶體管。
具體實(shí)施例方式1、利用電紡絲法與水熱合成制備以二氧化鈦納米纖維為主干的樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)施例1 在50ml錐形瓶中，將0.45g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入7. 5ml乙醇中，室溫?cái)嚢?br> 8h至溶液完全澄清。另取一 IOml錐形瓶，依次加入1. 5g鈦酸丁酯，3ml乙醇和3ml乙酸，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與金屬鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。將混合好的溶液放入電紡絲設(shè)備的噴絲管中，噴絲管頭的內(nèi)徑為1mm，以鋁套作為陽(yáng)極，用平行鋁條(間距2. 2cm)作為陰極接受產(chǎn)物，兩極間距離為20cm，施加電壓為IOkV 進(jìn)行電紡絲。這樣就會(huì)在陰極的兩條平行鋁條之間獲得平行排列的含聚乙烯吡咯烷酮的納米纖維(該方法可以參考文獻(xiàn)Appl. Phys. Lett. 2006，89，133125)。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)讓鈦酸丁酯緩慢水解，然后放入馬弗爐，緩慢升溫至 450°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，從而得到了二氧化鈦納米纖維。控制電紡絲噴絲時(shí)間就可以控制排列纖維的數(shù)量。所得二氧化鈦納米纖維直徑在80 200nm左右，纖維呈銳鈦礦晶型。取50ml燒杯，依次加入15ml水、15ml濃鹽酸(濃度約為12mol/L)和0. 5g鈦酸丁酯，攪拌均勻到溶液澄清，連同附著有平行銳鈦礦二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml 的水熱反應(yīng)釜中，在150°C恒溫烘箱中放置4個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥，期間無(wú)數(shù)二氧化鈦納米棒沉積在纖維表面并不斷變長(zhǎng)變粗，納米棒垂直于纖維表面緊密排列，這些納米棒呈現(xiàn)金紅石晶型。從而在石英片襯底上得到以銳鈦礦二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料；源、漏電極的制作將載有樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的石英片襯底置于真空鍍膜機(jī)中，將與需要形成的源、漏電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩膜版置于蒸鍍?cè)磁c納米材料之間，在納米材料上蒸鍍鋁電極的厚度為lOOnm，從而形成源、漏電極間具有溝道的源、漏電極結(jié)構(gòu)，調(diào)整掩膜版的位置，使源、漏電極間的連線即溝道的方向與納米纖維的方向相一致；柵電極與柵絕緣層的準(zhǔn)備將表面具有SiO2柵絕緣層的Si片劃成2mm寬、2cm長(zhǎng)的長(zhǎng)條形，然后依次用乙醇、丙酮、去離子水中各超聲清洗15分鐘，并烘干備用；場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)器件的制作將PVP與去離子水混合調(diào)制粘稠液(PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)3 5wt% )，用清潔針尖取兩小滴粘稠注液置于石英片襯底的兩端(兩PVP液滴間的連線與納米纖維的方向相垂直)，將上述長(zhǎng)條形Si片立刻置于粘稠液上方，并用力將其壓緊至SiO2與Al電極貼緊，待PVP粘稠液凝固，便獲得了金紅石/銳鈦礦樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該晶體管場(chǎng)效應(yīng)遷移率最大值超過(guò)10cm2/Vs，而且在不同濕度環(huán)境中測(cè)試器件，電流基本沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的連續(xù)測(cè)試，器件依然完好且電流幾乎沒(méi)有衰減，這些優(yōu)異的性能在其它已報(bào)道的晶體管中是少有的。實(shí)施例2 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至450°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯，依次加入15ml水、15ml濃鹽酸和0. 5g鈦酸丁酯，攪拌均勻到溶液澄清，連同附著有平行銳鈦礦二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在150°C恒溫烘箱中放置3個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。纖維表面的金紅石納米棒明顯比實(shí)施例1中的短且細(xì)。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。場(chǎng)效應(yīng)遷移率最大值大于3cm2/Vs，穩(wěn)定性隨濕度有所下降。
實(shí)施例3 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至450°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯，依次加入15ml水、15ml濃鹽酸和0. 5g鈦酸丁酯，攪拌均勻到溶液澄清，連同附著有平行銳鈦礦二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在150°C恒溫烘箱中放置2個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。纖維表面的金紅石納米棒排列更為稀疏，明顯比實(shí)施例2中的還要短且細(xì)。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。場(chǎng)效應(yīng)遷移率最大約為0. 2cm2/Vs,電流隨濕度的變化穩(wěn)定性變差。實(shí)施例4 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至450°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、 0. 104g硝酸鋅和0. 0522g六次甲基四胺，攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以銳鈦礦二氧化鈦納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8. 7cm2/Vs，穩(wěn)定性與實(shí)施例1略有下降。實(shí)施例5 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至450°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、 0.2195g醋酸鋅和0. 028g六次甲基四胺，攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以銳鈦礦二氧化鈦納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8. 7cm2/Vs，穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如實(shí)施例4類(lèi)似。實(shí)施例6 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至500°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了二氧化鈦納米纖維。此時(shí)纖維呈現(xiàn)銳鈦礦與金紅石的混合晶型。 取50ml燒杯，依次加入15ml水、15ml濃鹽酸和0. 5g鈦酸丁酯，攪拌均勻到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在150°C恒溫烘箱中放置4個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以銳鈦礦/金紅石混合晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于10cm7Vs，同樣具有很好的穩(wěn)定性，如實(shí)施例1類(lèi)似。實(shí)施例7 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至500°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了銳鈦礦和金紅石混合晶型的二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯， 依次加入35ml去離子水、0. 104g硝酸鋅和0. 0522g六次甲基四胺，攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以混合晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率約為8. 92cm7Vs，具有較好的穩(wěn)定性。實(shí)施例8 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至500°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了銳鈦礦和金紅石混合晶型的二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯， 依次加入35ml去離子水、0.2195g醋酸鋅和0. 028g六次甲基四胺，攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以混合晶型二氧化鈦納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8cm2/Vs，同樣具有較好的穩(wěn)定性，如實(shí)施例7類(lèi)似。實(shí)施例9 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至700°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了二氧化鈦納米纖維。此時(shí)二氧化鈦纖維呈現(xiàn)純的金紅石相。取 50ml燒杯，依次加入15ml水、15ml濃鹽酸和0. 5g鈦酸丁酯，攪拌均勻到溶液澄清，連同附著有平行金紅石二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在150°C恒溫烘箱中放置2個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以金紅石二氧化鈦納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于5cm2/Vs，同樣具有很好的穩(wěn)定性。實(shí)施例10
溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至700°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了金紅石二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、0. 104g硝酸鋅和0. 0522g六次甲基四胺，攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以金紅石二氧化鈦納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8. 33cm2/Vs,同樣具有較好的穩(wěn)定性。實(shí)施例11 溶液配備與紡絲過(guò)程與實(shí)施例1 一致。將石英片襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩鋁條之間的排列纖維，空氣中放置12小時(shí)后放入馬弗爐，緩慢升溫至700°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)將高分子PVP全部除去，就得到了金紅石二氧化鈦納米纖維。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、0.2195g醋酸鋅和0. 028g六次甲基四胺，攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化鈦納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以金紅石二氧化鈦納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8. 33cm2/vs，穩(wěn)定性與實(shí)施例10類(lèi)似。2、利用電紡絲法與水熱合成制備以二氧化錫納米纖維為主干的樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)施例12 在50ml錐形瓶中，將0.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入2. 2ml乙醇和4. 4mlN，N-二
甲基甲酰胺中，室溫?cái)嚢?h至溶液完全澄清。另取一 IOml錐形瓶，將0.4g 二氯化錫加入2.2ml乙醇中，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與無(wú)機(jī)鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。將混合好的溶液放入噴絲管中，噴絲頭的內(nèi)徑為1mm，用平行不銹鋼片(間距 2. 2cm)作為陰極接受產(chǎn)物，兩極間距離為20cm，施加電壓為12kV進(jìn)行電紡絲，這樣就會(huì)在陰極的兩條平行不銹鋼片之間獲得排列纖維。控制電紡絲噴絲時(shí)間就可以控制排列纖維的數(shù)量。將得到的平行纖維連同不銹鋼片放入馬弗爐，緩慢升溫至600°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)。所得二氧化錫納米纖維直徑在130 200nm左右。將聚四氟乙烯襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩條不銹鋼片之間排列的二氧化錫納米纖維。取50ml燒杯，依次加入15ml乙二胺、15ml去離子水、0. 5g四氯化錫和0. 5g氫氧化鈉。超聲15分鐘后，將該混合溶液與附著有平行二氧化錫納米纖維的聚四氟乙烯片子轉(zhuǎn)移到40ml的反應(yīng)釜中，在220°C放置24小時(shí)，既得到以二氧化錫納米纖維為主干，以二氧化錫納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率約為9. 5cm2/Vs,具有很好的穩(wěn)定性，與實(shí)施例1類(lèi)似。實(shí)施例13 溶液配備、紡絲過(guò)程及燒結(jié)過(guò)程均與實(shí)施例12 —致。將聚四氟乙烯襯底依次在乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗干凈，用來(lái)收集兩條不銹鋼片之間排列的二氧化錫納米纖維。取50ml燒杯，依次加入0. 5g四氯化錫、0. 7g氫氧化鈉、20ml去離子水和20ml乙醇，并超聲15分鐘。將該混合溶液與附著有平行二氧化錫納米纖維的聚四氟乙烯片子轉(zhuǎn)移到40ml的反應(yīng)釜中，在180°C放置24小時(shí)，即得到以二氧化錫納米纖維為主干，以二氧化錫納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于9cm2/Vs，同樣具有很好的穩(wěn)定性，與實(shí)施例1類(lèi)似。實(shí)施例14:溶液配備和紡絲過(guò)程與實(shí)施例12 —致。用清洗干凈的石英片襯底收集兩條鋁片之間的排列纖維，并轉(zhuǎn)移到馬弗爐中，緩慢升溫至600°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)。取50ml燒杯，依次加入15ml水、15ml濃鹽酸和0. 5g鈦酸丁酯，攪拌均勻到溶液澄清，連同附著有平行二氧化錫納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在150°C恒溫烘箱中放置4個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于6. 8cm2/Vs，穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果與實(shí)施例1類(lèi)似。實(shí)施例15 溶液配備、紡絲過(guò)程及燒結(jié)過(guò)程均與實(shí)施例14 一致。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、0. 104g硝酸鋅和0. 0522g六次甲基四胺， 攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化錫納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8cm2/Vs，穩(wěn)定性較好， 與實(shí)施例8相似。實(shí)施例16 溶液配備、紡絲過(guò)程及燒結(jié)過(guò)程均與實(shí)施例14 一致。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、0. 2195g醋酸鋅和0. 028g六次甲基四胺， 攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化錫納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8cm2/Vs，器件的穩(wěn)定性較好。實(shí)施例17 在50ml錐形瓶中，將0.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入2. 2ml乙醇和4. 4mlN，N-二
甲基甲酰胺中，室溫?cái)嚢?h至溶液完全澄清。另取一 50ml錐形瓶，將0.4g四氯化錫加入2.2ml乙醇中，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與無(wú)機(jī)鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。紡絲過(guò)程、燒結(jié)過(guò)程及水熱反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施例12 —致。從而在聚四氟乙烯片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以二氧化錫納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率約為9.5cm2/Vs，具有很好的穩(wěn)定性。實(shí)施例18 在50ml錐形瓶中，將0.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入2. 2ml乙醇和4. 4mlN，N-二
甲基甲酰胺中，室溫?cái)嚢?h至溶液完全澄清。另取一 50ml錐形瓶，將0.4g四氯化錫加入2.2ml乙醇中，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與無(wú)機(jī)鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。紡絲過(guò)程、紡絲過(guò)程及水熱反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施例13 —致。從而在聚四氟乙烯片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以二氧化錫納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于9cm2/Vs。實(shí)施例19 在50ml錐形瓶中，將0.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入2. 2ml乙醇和4. 4mlN，N-二
甲基甲酰胺中，室溫?cái)嚢?h至溶液完全澄清。另取一 50ml錐形瓶，將0.4g四氯化錫加入2.2ml乙醇中，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與無(wú)機(jī)鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。紡絲過(guò)程、紡絲過(guò)程及水熱反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施例14 一致。從而在石英片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以金紅石二氧化鈦納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于6.8cm2/Vs，同樣具有很好的穩(wěn)定性，如實(shí)施例1類(lèi)似。實(shí)施例20:在50ml錐形瓶中，將0.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入2. 2ml乙醇和4. 4mlN，N-二
甲基甲酰胺中，室溫?cái)嚢?h至溶液完全澄清。另取一 50ml錐形瓶，將0.4g四氯化錫加入2.2ml乙醇中，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與無(wú)機(jī)鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。紡絲過(guò)程、紡絲過(guò)程及水熱反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施例15 —致。從而在石英片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8cm2/Vs，穩(wěn)定性較好。實(shí)施例21:在50ml錐形瓶中，將0.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入2. 2ml乙醇和4. 4mlN，N-二
甲基甲酰胺中，室溫?cái)嚢?h至溶液完全澄清。另取一 50ml錐形瓶，將0. 4g四氯化錫加入2. 2ml乙醇中，室溫劇烈攪拌IOmin至完全溶解。將高分子溶液與無(wú)機(jī)鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)。紡絲過(guò)程、紡絲過(guò)程及水熱反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施例16 —致。從而在石英片襯底上得到以二氧化錫納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于8cm2/Vs，同樣具有較好的穩(wěn)定性。
3.利用電紡絲法與水熱合成制備以氧化鋅納米纖維為主干的樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)施例22:在50ml錐形瓶中，將1. Og聚乙烯吡咯烷酮加入IOml無(wú)水乙醇中，干燥室溫下溶解8小時(shí)，到溶液完全澄清。另取IOml錐形瓶，將0. 595g硝酸鋅溶解在％ilN，N-二甲基甲酰胺中，室溫下攪拌10分鐘至完全溶解。將高分子溶液與金屬鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)至均勻。將混合好的溶液放入噴絲管中，噴絲頭的內(nèi)徑為1mm，用平行鋁片(間距2. 2cm) 作為陰極接受產(chǎn)物，兩極間距離為20cm，施加電壓為20kV進(jìn)行電紡絲，這樣就會(huì)在陰極的兩條平行不銹鋼片之間獲得排列纖維?？刂齐娂徑z噴絲時(shí)間就可以控制排列纖維的數(shù)量。 用清洗干凈的石英片襯底收集兩條鋁片之間的排列纖維，并轉(zhuǎn)移到馬弗爐中，緩慢升溫至 500°C恒溫?zé)Y(jié)5小時(shí)。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、0. 104g硝酸鋅和0. 0522g六次甲基四胺， 攪拌到溶液澄清，連同附著有平行氧化鋅納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中， 在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以氧化鋅納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率約為10. 45cm2/Vs，穩(wěn)定性較好。實(shí)施例23:溶液配備、紡絲過(guò)程及燒結(jié)過(guò)程均與實(shí)施例22 —致。取50ml燒杯，依次加入35ml去離子水、0. 2195g醋酸鋅和0. 028g六次甲基四胺， 攪拌到溶液澄清，連同附著有平行二氧化錫納米纖維的石英片轉(zhuǎn)移到40ml的水熱反應(yīng)釜中，在95°C恒溫烘箱中放置8個(gè)小時(shí)，取出石英片洗滌干燥。從而在石英片襯底上得到以氧化鋅納米纖維為主干，以氧化鋅納米棒為枝的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于10cm7Vs，穩(wěn)定性較好。實(shí)施例在50ml錐形瓶中，將1. Og聚乙烯吡咯烷酮加入IOml無(wú)水乙醇中，干燥室溫下溶解8小時(shí)，到溶液完全澄清。另取IOml錐形瓶，將0. 2726g氯化鋅溶解在^ilN, N- 二甲基甲酰胺中，室溫下攪拌10分鐘至完全溶解。將高分子溶液與金屬鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)至均勻。紡絲過(guò)程、燒結(jié)過(guò)程和水熱過(guò)程與實(shí)施例22 —致。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。 該器件最大電子遷移率大于10cm7Vs，穩(wěn)定性較好。實(shí)施例25:在50ml錐形瓶中，將1. Og聚乙烯吡咯烷酮加入IOml無(wú)水乙醇中，干燥室溫下溶解8小時(shí)，到溶液完全澄清。另取IOml錐形瓶，將0. 2726g氯化鋅溶解在^ilN, N- 二甲基甲酰胺中，室溫下攪拌10分鐘至完全溶解。將高分子溶液與金屬鹽溶液混合，繼續(xù)在室溫下攪拌1小時(shí)至均勻。紡絲過(guò)程、燒結(jié)過(guò)程和水熱過(guò)程與實(shí)施例23 —致。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。該器件最大電子遷移率大于10cm7Vs，穩(wěn)定性較好。實(shí)施例沈配備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的聚乙烯醇水溶液，95°C回流5小時(shí)，溶解完全后冷卻至室溫。另配備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16. 7%的醋酸鋅水溶液，攪拌至完全溶解。取3g該醋酸鋅溶液逐滴加入7. 6g聚乙烯醇水溶液，攪拌至溶液均勻。紡絲過(guò)程、燒結(jié)過(guò)程和水熱過(guò)程與實(shí)施例22 —致。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。 該器件最大電子遷移率大于10cm7Vs，穩(wěn)定性較好。實(shí)施例27:配備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的聚乙烯醇水溶液，95°C回流5小時(shí)，溶解完全后冷卻至室溫。另配備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16. 7%的醋酸鋅水溶液，攪拌至完全溶解。取3g該醋酸鋅溶液逐滴加入7. 6g聚乙烯醇水溶液，攪拌12小時(shí)至溶液均勻。紡絲過(guò)程、燒結(jié)過(guò)程和水熱過(guò)程與實(shí)施例23 —致。器件裝配過(guò)程與實(shí)施例1 一致。 該器件最大電子遷移率大于10cm7Vs，穩(wěn)定性較好。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其包括如下步驟A.將0.3 Ig可溶性高分子化合物加入到5 IOml溶劑1中，在室溫 100°C條件下攪拌至溶液完全澄清，然后冷卻至室溫，溶劑1為N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、水中的一種或幾種；B.將0.2 2. Og可溶性無(wú)機(jī)鹽或可溶性無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體加入到3 6ml溶劑2中， 干燥條件下劇烈攪拌使其混合均勻；然后將獲得的溶液快速加入到步驟A的溶液中，攪拌使兩種溶液混合均勻，溶劑2為N，N- 二甲基甲酰胺、乙醇、乙酸、水中的一種或幾種；C.將步驟B獲得的混合溶液放入靜電紡絲設(shè)備的玻璃噴絲管中，玻璃噴絲管的管頭內(nèi)徑為0. 5 3mm，以鋁套為陽(yáng)極，用間距為2 3cm的兩條平行鋁條或不銹鋼條作為陰極板接受產(chǎn)物，兩極間的距離為10 30cm，在兩極間施加6 30KV的電壓進(jìn)行電紡絲，從而在陰極上獲得平行排列的含有高分子化合物的納米纖維；D.用清洗干凈的石英片把陰極板間的含有高分子化合物的納米纖維收集起來(lái)，在空氣中放置10 20小時(shí)，然后在400 700°C溫度下燒結(jié)3 5小時(shí)以除去高分子化合物；或直接將陰極板與含有高分子化合物的納米纖維在400 700°C溫度下燒結(jié)3 5小時(shí)后，再用清洗干凈的石英片或聚四氟乙烯襯底收集氧化物纖維；從而在石英片或聚四氟乙烯襯底上得到直徑50 300nm的平行排列的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維；E.另取0.1 2. Og可溶性無(wú)機(jī)鹽或可溶性無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體與10 40ml的溶劑3 混合均勻，將該溶液與步驟D中獲得的石英片或聚四氟乙烯襯底轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜的體系中，進(jìn)行水熱反應(yīng)，從而在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)大量的無(wú)機(jī)氧化物納米棒，然后取出襯底洗滌干燥，即在石英片或聚四氟乙烯襯底表面得到具有準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)氧化物納米材料；溶劑3為乙醇、鹽酸、水中的一種或幾種；F.源、漏電極的制作將步驟E獲得的石英片或聚四氟乙烯襯底送進(jìn)真空鍍膜機(jī)，通過(guò)與源、漏電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩膜版在襯底表面的準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)氧化物納米材料上蒸鍍50 IOOnm厚的鋁電極，從而形成源、漏電極結(jié)構(gòu)，源、漏電極間的距離即溝道寬度為60 ΙΟΟμπι，源、漏電極的連線與無(wú)機(jī)氧化物納米纖維的方向相一致；G.柵電極與柵絕緣層的制備選用η型<100>硅片，厚度為1 2mm，電阻率為3 5ΜΩ · cm,采用干氧氧化法在該硅片上生長(zhǎng)SiO2或氮化硅柵絕緣層，生長(zhǎng)溫度為900 12000C，SiO2或氮化硅柵絕緣層的厚度為1500 2000nm，然后將表面具有SiO2或氮化硅柵絕緣層的硅片劃片為寬1 2mm、長(zhǎng)1 3cm的條形結(jié)構(gòu)，清洗并烘干；H.將聚乙烯吡咯烷酮與去離子水混合制備成粘稠液，用清潔的針尖取兩小滴粘稠液置于蒸鍍有鋁電極一側(cè)的石英片或聚四氟乙烯襯底的兩端，兩粘稠液滴間的連線與無(wú)機(jī)氧化物納米纖維的方向相垂直，將步驟G中制備的條形結(jié)構(gòu)的硅片置于粘稠液滴上方，并用力將其壓緊至SiO2或氮化硅柵絕緣層與鋁電極貼緊，待粘稠液干燥凝固后，制備得到無(wú)機(jī)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
2.如權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其特征在于可溶性高分子化合物是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯腈。
3.如權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其特征在于可溶性無(wú)機(jī)鹽是可溶性鋅鹽或可溶性錫鹽，可溶性無(wú)機(jī)氧化物前驅(qū)體為可溶性二氧化鈦前驅(qū)體。
4.如權(quán)利要求3所述的一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其特征在于可溶性鋅鹽是醋酸鋅、硝酸鋅或氯化鋅，可溶性錫鹽是四氯化錫或二氯化錫，可溶性二氧化鈦前驅(qū)體為鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯或四氯化鈦。
5.如權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其特征在于在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氧化物納米棒為氧化鋅時(shí)， 襯底用石英片，水熱體系為可溶性鋅鹽、六次甲基四胺和水的混合溶液，其中鋅鹽濃度為 0. 01 0. 04mol/L，六次甲基四胺濃度約為0. 005 0. 01mol/L，水熱條件為80 100°C反應(yīng)1 8小時(shí)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其特征在于在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氧化物納米棒為二氧化錫時(shí)，襯底用聚四氟乙烯，水熱體系為可溶性錫鹽、氫氧化鈉、水、乙醇或乙二胺的混合溶液，其中水與乙醇或乙二胺等體積混合，錫鹽濃度為0. 04 0. 07mol/L，氫氧化鈉濃度為 0. 31 0. 44mol/L，水熱條件為180 250°C反應(yīng)1 48小時(shí)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑微電子器件的方法，其特征在于當(dāng)在步驟D的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維表面水熱生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氧化物納米棒為二氧化鈦時(shí)，襯底用石英片，水熱體系為可溶性二氧化鈦前驅(qū)體、水和鹽酸，其中水與鹽酸等體積混合，二氧化鈦前驅(qū)體濃度為0. 01 0. 05mol/L水熱條件為100 200°C反應(yīng)1 5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明于納米半導(dǎo)體微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電紡絲技術(shù)并結(jié)合水熱合成技術(shù)制備具有多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米半導(dǎo)體材料，并用于構(gòu)筑高性能穩(wěn)定微電子器件的方法。是以電紡燒結(jié)得到的無(wú)機(jī)氧化物納米纖維為主干，通過(guò)水熱反應(yīng)后續(xù)在纖維表面沉積生長(zhǎng)無(wú)機(jī)氧化物納米棒，獲得準(zhǔn)一維樹(shù)枝狀多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料，之后組裝成場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明制備得到的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有超高的電子遷移率，并且長(zhǎng)壽命及高穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它大多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如銳鈦礦二氧化鈦納米纖維/金紅石二氧化鈦納米棒多級(jí)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管最大電子遷移率可以達(dá)到10cm2/Vs以上，隨著時(shí)間延長(zhǎng)和濕度的增大，性能幾乎沒(méi)有出現(xiàn)衰減。
文檔編號(hào)H01L21/04GK102299058SQ20111011897
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者姜婷婷, 張弘楠, 徐秀茹, 李振宇, 王兆杰, 王威, 王策 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)