[发明专利]在衬底上定位纳米颗粒的方法以及纳米颗粒阵列

说明书

技术领域

本发明旨在一种在构图的衬底上定位纳米颗粒的方法，以及使用该定位的纳米颗粒制作一维材料的方法。

背景技术

绝缘、半导电以及导电材料的均匀厚度的膜的淀积对微电子工业极为重要。随着电路元件的横向特征尺寸持续缩小(以获得改善的电路性能)，膜厚度的均匀性容差也按比例缩小。常规膜淀积方法例如物理气相淀积、化学气相淀积以及原子层淀积可以在非常大的面积内获得均匀的厚度(处于单原子层的精度)，然而购买和维护这样的系统的费用高昂。并且，存在其它的较低性能类型的微电子应用，其中希望淀积材料的均匀层而不需要高度专业化的(并且昂贵的)淀积系统。

化学合成的纳米颗粒对尺寸和组分高度均匀的材料的制造提供了一种低成本的可供选择的方法。高温溶液相合成法是一种可以通过其制造高度均匀的材料的方法。存在用于制造各种金属、绝缘体以及半导体的方法。简单而言，这些方法制造无机纳米颗粒的溶液，这些无机纳米颗粒的平均直径在1nm至20nm的范围内可调并且其平均直径的标准偏差约为5％。用可以被加工为1-4nm范围长度的有机表面活性剂逐一地涂敷这些纳米颗粒。表面活性剂防止纳米颗粒在溶液中聚积。图1(a)中示出了化学合成纳米颗粒的示意图。

当尺寸均匀的纳米颗粒从溶液淀积到衬底上时，可使尺寸均匀的纳米颗粒将它们自身组装成晶体。如图1(b)中示意性地示出的，由于其均匀的尺寸，球状纳米颗粒将堆积成六方密堆积(HCP)排列。该过程通常称为自组装。其它形状的纳米颗粒将堆积成不同的晶体排列。例如，立方形的纳米颗粒将堆积成立方晶格。这种自组装的一个优点在于，由于纳米颗粒的均匀直径，所形成的膜具有非常均匀的厚度。换言之，由单层纳米颗粒构成的膜的厚度将均匀地为一个纳米颗粒直径。

此外，利用由不同材料构成的纳米颗粒作为生长一维(1-D)材料的催化剂引发了人们越来越浓的兴趣。该技术包括对表面施加(典型地)金属催化剂，然后使用技术例如化学气相淀积生长1维材料。催化剂的尺寸将严重地影响所形成的1-D结构的直径。在几乎所有该类型生长的情况中，必须将衬底(和催化剂)加热到高温(超过400℃并且最高可达1000℃)。然而，在这些高温下，在整个衬底表面范围内分布的纳米颗粒型的催化剂将经常发生聚积，导致具有较宽尺寸分布(由聚积期间的金属扩散确定)的较大尺寸的催化剂，并且最终导致具有较宽尺寸分布的较大直径的1-D材料。

尽管纳米颗粒具有自组装的固有倾向并且纳米颗粒膜具有潜在的优点，与常规膜淀积方法例如物理气相淀积、溅射、或者化学气相淀积相似，不存在在大的区域范围内均匀地淀积纳米颗粒膜的方法。至目前为止，采用四种用于纳米颗粒膜淀积的方法：

1.从溶液淀积，之后进行溶剂蒸发：在该方法中，在衬底上淀积包含溶解的纳米颗粒的溶剂，并且通过受控蒸发去除溶剂。当溶剂蒸发时，纳米颗粒组装其自身成为结晶层。该方法制造精细组装的膜，但是膜的厚度却不受控制。当溶剂蒸发时，形成变化厚度的层。

2.通过衬底浸没(immersion)淀积纳米颗粒膜：在该方法中，衬底被浸没到包含纳米颗粒的溶液中，并且允许其沉底(sit)。随时间的推移，纳米颗粒在溶液中扩散并且找到到达衬底的路径。该方法制造均匀厚度的膜，然而纳米颗粒层却没有被密堆积并且常常包含空隙(没有纳米颗粒的区域)。此外，该方法在表面上处处淀积纳米颗粒层。

3.Langmuir-Blodgett技术：在该方法中，在液体表面上形成纳米颗粒膜。通过在液体上压紧膜，可以使纳米颗粒自组装。通过浸渍涂敷到液体表面上，将膜转移至固体衬底。该方法制造有序的纳米颗粒层，然而却难以控制膜的厚度。通常，膜或者由多层构成，否则就是包含空隙。并且，由于从液体转移到固体衬底的膜的应力，在膜中会出现裂缝。

4.通过旋转浇注(sDin-casting)淀积纳米颗粒膜：在该方法中，包含纳米颗粒的溶液被旋涂到固体衬底上。在溶剂蒸发之后，留下纳米颗粒膜。由于旋转浇注方法的非平衡本质，通过该方法制造的纳米颗粒膜没有被很好地组装。

所有上述四种方法描述了在衬底的整个表面范围内淀积纳米颗粒膜。

发明内容