[发明专利]一种脉冲激光烧蚀制备硅纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明属于尺寸均匀硅纳米线制备技术领域，特别涉及一种无金属催化剂脉冲激光烧蚀制备纳米硅线的方法。

背景技术

低维硅基纳米材料由于性能优越并且可以和现有的硅基平面工艺相兼容而具有很广泛的应用前景。准一维Si纳米材料由于其奇特的结构与物理性能不仅为基础物理提供了可贵的研究对象，也预示着巨大的应用前景和经济利益，将给传统的微电子等领域带来革命性的改革。Si纳米材料由于其局域效应，具有良好的光致发光和电荷存储性能，渴望与传统的Si基大规模集成电路结合，在光电器件中得到应用。十几年来，在材料和器件物理学家的共同努力下，各类Si基低维纳米材料在光电子器件方面的应用取得了可喜进展。

自从上世纪60年代，第一次采用固液气(VLS)方式制备出Si纳米晶须以来，对于Si纳米结构的研究备受瞩目。在VLS技术基础上，研究人员结合光刻、定向腐蚀和扫描隧道技术制备出来不同形态的Si纳米线。然而这些技术制备出的Si纳米线量非常少，只适合于进行基础研究。近些年来，金属催化辅助生长Si纳米线研究取得长足进步，结果表明在Au、Fe、Ni等金属的催化作用下，采用不同的制备方法可以提高Si纳米线生成量。例如，在Al催化作用下CVD合成Si纳米线(Yewu Wang，et al.，nature nanotechnology，1，P186，2006)。Lee在Au膜覆盖Si衬底上采用纯SiO粉末无金属催化剂热蒸发合成了小直径(～10nm)Si纳米线(S.T.Lee，et.al.，J.Electrochem.Soc.，151，p.G472，2004)。除此之外，众多研究表明脉冲激光烧蚀(PLA)Si靶辅助金属催化方法也可以提高Si纳米线的产率和尺寸均匀性(Wang，et al.，Chemical Physical Letters，283，P368，1998；K.Wang，et al.，Applied Physics A：Materials Science&Processing，79，P1413，2004；Minsung Jeon，et al.，Materials Letters，63，P777，2009)。从微纳电子制造兼容性方面考虑，选取高效、洁净的物理气相沉积手段制备纳米线是一种最有可能实际应用的技术。脉冲激光烧蚀技术具有玷污小和生长速率快等优点，成为批量合成Si纳米线的首选工艺。

目前Si基纳米线的应用瓶颈在于无催化剂纳米Si晶粒形态控制。为了实现Si纳米线的量化合成，以及在锂离子电池、太阳能电池和微纳存储器中应用，开发无污染的合成工艺尤为重要。Lee等人在低真空下合成了尺寸差异较大的硅纳米线，发现缓冲气体压力对于激光烧蚀制备纳米线的直径影响显著，调整缓冲气体压力可以在一定程度上控制最终合成纳米线的尺寸。基于氧辅助生长原理，关于蒸发或烧蚀过程的工艺参数对Si线形态的影响是当前研究的一个热点。然而，通过调整烧蚀靶材的成分实现Si纳米颗粒的显微结构和形貌控制还鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲激光烧蚀制备硅纳米线的方法，该方法通过调整复合Si靶成分，可以获得高产率、尺寸均匀的Si纳米线。

为了实现上述目的，本发明采取以下技述方案：

一种脉冲激光烧蚀制备硅纳米线的方法，采用脉冲激光烧蚀设备依次按以下步骤实现：

(1)、分别采用SiO粉末，或Si粉末和SiO₂粉末的混合粉末，或Si粉末和SiO粉末的混合粉末，或Si粉末、SiO粉末和SiO₂粉末的混合粉末压制成型作为PLA靶材，其中，在Si粉末和SiO₂粉末的混合粉末中，Si粉末和SiO₂粉末的质量比为30～70wt％∶70～30wt％；在Si粉末和SiO粉末的混合粉末中，Si粉末和SiO粉末的质量比为30～70wt％∶70～30wt％；在Si粉末、SiO粉末和SiO₂粉末的混合粉末中，Si粉末、SiO粉末和SiO₂粉末的质量比为20～40wt％∶40～60wt％∶20％～40wt％；

(2)、将靶材安置在Al₂O₃陶瓷管的中央靶托上；

(3)、Al₂O₃陶瓷管抽真空控制在10Pa，再通入惰性气体，调整使环境气压维持至100～1000Pa；

(4)、调节靶材的靶区温度至1200～1380℃，启动脉冲激光器烧蚀靶材；

(5)、控制脉冲激光频率和激光能量密度烧蚀靶材，烧蚀时间为1～10小时；