[发明专利]在半导体硅基底上催化生长ZnO纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在半导体硅基底上利用过渡金属的独特催化作用和高分子网络络合效应来促进ZnO纳米线自组装生长的催化生长方法。属半导体光电纳米材料制备工艺技术领域。

背景技术

氧化锌(ZnO)是重要的II-VI族直接跃迁的宽禁带氧化物半导体材料，室温下禁带宽度Eg为3.37eV，激子束缚能可达60meV，比同类其它的半导体材料(如GaN：21meV，ZnSe：20meV)要高很多，是室温热离化能(26meV)的2.3倍，是新型的第三代光电半导体材料的典型代表，其优异的光电特性，使其作为短波长发光器件，在紫外和蓝紫波段发光二极管(LEDs)、激光发射器(LDs)、紫外光探测器、光信息存储、光通信以及高性能光电显示器件等光电领域具有很大应用潜力，是当前人们在微电子领域最感兴趣、研究最为活跃的领域之一。

特别是ZnO纳米线，作为典型的一维纳米材料，由于其结构上的独特性——径向尺寸纳米量级而轴向尺寸微米量级，就像宏观中的导线一般，所以当利用其量子尺寸效应时，使得被传输的微观粒子(电子或光激子等)限制在一个方向上传输，因此这对于纳米器件的功能和同一性非常重要。一维纳米材料是发光二极管、激光器、传感器以及介质存储器中尤其有用的结构。这些准一维纳米材料是理想的研究电子输运、光学和力学性质的尺寸和维度依赖关系的体系，同时也将作为纳米连接和功能组元在纳米电子、光电器件中发挥核心作用。它们具有极高的力学韧性、更高的发光效率、增强的热电性能、更灵敏的气敏性质、更卓越的场发射性能、低的激光发射阈值等。利用准一维半导体材料来组建电子器件，不但有可能突破目前在电路小型化上碰到的困难，而且由于纳米线本身的优良特性，其构建的纳米器件也将可能具有更好的性能。

相比于ZnO零维和二维纳米材料，一维纳米线的发展比较晚，这是由于一维纳米材料特殊的结构使得其制备工艺复杂，进展缓慢。目前，ZnO纳米线的制备方法大致有气相法、液相法、模板法以及自组装法。气相法是人们应用最为普遍、工艺最成熟的制备方法，但是高昂的成本和较严格的制备条件制约了其大规模的应用与发展。液相法反应条件相对温和，设备简单，但产物的组分较复杂、形貌(如纳米线长度和径向尺寸等)易受溶液环境(如pH值、浓度、温度)的影响。模板法和自组装法是随后发展起来的工艺，由于模板和自组装分子的网络孔道作用，对纳米线生长方向和尺寸可进行调节，所制得的纳米线形貌较好；但模板法中使用较多的是无机氧化物(如多孔氧化铝模板)，模板的除去等后处理困难，会存留一定的杂质。

发明内容

本发明的目的是提供一种在半导体硅(Si)基底上利用过渡金属的催化作用和高分子网络络合效应来促进ZnO纳米线自组装生长的催化生长方法。

本发明采用化学镀镍(Ni)工艺和高分子自组装生长相结合的工艺方法。通过一定的工艺条件，并适当控制反应条件，在硅基底上得到形貌和性能良好的ZnO纳米线薄膜。

本发明是一种在半导体硅基底上催化生长ZnO纳米线的方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a、半导体硅基底单晶硅片的准备：按传统常规的方法将作为半导体硅基底的单晶硅片进行酸洗、水洗、磨光，洗涤干净干燥后待用；

b、硅基底的化学镀镍预处理：将摩尔比为1∶1的化学镀镍盐和络合剂混合配成络合稳定的镀液，并调节pH值在9.0～11.0范围内；所述的化学镀镍盐为硫酸镍、硝酸镍、氯化镍中的任一种；所述的络合剂为柠檬酸钠；在反应容器内将混合溶液进行加热，加热温度选60～90℃，恒温保持30～50分钟；并在不断搅拌条件下以5.0mL/min的速率滴加浓度为0.4～0.8mol/L的还原剂亚磷酸氢钠，其加入量为化学镀镍盐的4倍，即两者的摩尔质量比为4∶1；然后迅速放入事先准备好的单晶硅片；在反应过程中缓慢滴加入加速剂乙酸钠溶液，并适时补充OH^-，以提高镀速；然后取出己镀覆的硅片，经浸洗后室温放置；

c、ZnO纳米线的生长：将一定浓度的可溶性锌盐与高分子聚丙烯酰胺亚浓水溶液混合，调节该混合溶液的pH值至11.0～12.0；然后将经化学镀镍预处理的硅基底单晶硅片投入该混合液中，在常压加热条件下使其反应，加热温度范围为60～100℃，常压下反应时间为2～6小时；取出硅片，在150℃温度下热处理0.5～2.0小时，然后室温固化；最终得到生长有白色ZnO纳米线薄膜的硅片。

本发明方法的理论依据和机理

1、硅基底上的化学镀Ni的机理和作用