[发明专利]锗催化生长的氧化硅纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种利用锗作为催化剂生长的氧化硅纳米线 及其制备方法。

背景技术

纳米线，纳米管，纳米棒等由微观一维结构的材料由于具有大的比表面积等特性，在 功能材料领域中有着广泛的应用前景，近年来已经成为主要的研究热点之一。通过不同的 生长方法，已成功研制了氮化镓，氧化锌，硅，氧化硅等多种纳米线。其中氧化硅纳米 线，由于其室温下强烈的光致发光特性以及在光集成器件及光电集成器件中的具有重要的 应用前景更引起了广泛关注。

氧化硅纳米线的生长机制主要有气-液-固和固-液-固两种。在固-液-固生长机制中， 常先将催化剂淀积于硅衬底上，随后在一定的温度下退火而完成纳米线的生长。固-液-固 生长是一种简单，快速，适用于大规模生长纳米线的生长技术。目前见诸报道的常用催化 剂主要有金，铁，镍，镓等金属材料。另外，也有不采用催化剂，而采用退火温度接近硅 熔点的高温退火方法生长硅纳米线的报道。然而这些生长氧化硅纳米线方法如果用于研制 硅基光集成器件或光电集成器件中时，都有不小的困难和麻烦。例如若将金属作为催化剂 生长氧化硅纳米线的技术应用于光电集成器件中，其中的电子器件很可能因为金属沾污而 导致性能的退化。而若将高温生长氧化硅纳米线的方法应用于研制集成器件，其工艺和常 用集成器件的工艺的兼容可能是一个麻烦的问题。本发明利用锗作为催化剂生长氧化硅纳 米线，不涉及任何金属材料，退火温度也远较硅的熔点低，因此如果利用这种硅纳米线研 制集成器件时，不会带来金属沾污的问题，在研制工艺上也易於和常用的集成器件工艺兼 容。因而具有重要的应用前景。就发明人所知，采用锗作为催化剂生长氧化硅纳米线的方 法，尚未见有类似报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用锗作催化剂生长的氧化硅纳米线及其制备方法。

本发明采用分子束外延技术，在硅衬底上自组织生长出锗量子点，以此锗量子点作为 催化剂，经过高温退火，生长出氧化硅纳米线。该方法生长的氧化硅纳米线呈非晶态，其 直径为20～30nm左右，长度达到数十微米，例如可达到90微米以上。

本发明的氧化硅纳米线的具体制作步骤如下：

(1)清洗衬底：

选用电阻率为5～10Ωcm的P型Si(100)单晶片为衬底。衬底片在生长氧化硅纳米 线前需要作清洗处理。

(2)锗量子点的生长：

将清洁后的硅衬底片放入超高真空分子束外延系统内。超高真空室内安装有硅与锗二 蒸发源炉，采用电子束蒸发技术蒸发。在真空室内，高温去除硅衬底表面的氧化硅层，得 到(2×1)表面再构图样。然后降低衬底温度，蒸发硅源，在硅衬底上生长一层硅缓冲层。 而后升高到衬底温度，打开锗源，自组织生长锗量子点。生长于硅片表面的锗量子点作为 生长氧化硅纳米线的催化剂之用。

本步骤中，对硅衬底进行高温处理的温度为900℃～1100℃，处理时间8～14分钟； 然后衬底温度降到460～480℃下，以0.05～0.06nm/s的速率生长80-100nm厚度的硅缓冲 层；生长量子点时，衬底温度为630～650℃，淀积锗的淀积速率为0.005～0.006nm/s， 淀积Ge的厚度为0.4～0.5nm。

(3)生长氧化硅纳米线：

将生长有锗量子点的样品从真空室中取出，移入管式退火炉进行退火。退火时，管内 通入氮气和氢气混合组成的保护气体。退火结束后，在退火炉内自然冷却到室温。退火后 的硅片表面形成一层灰白色的薄膜，氧化硅纳米线即在膜中。

本步骤中，保护气体中氮气与氢气的体积比例约为19∶1～16∶1。气体总流量控制在 150～170L/h。退火温度为1100～1120℃，退火时间为30～35分钟。

采用本方法生长的氧化硅纳米线呈非晶态，其直径为20～30nm左右，长度达到数十 微米。与以往报道的生长氧化硅纳米线不同，由于在生长过程中没有利用金属作催化剂， 也没有采用退火温度接近硅熔点的高温处理技术，因此将氧化硅纳米线应用于研制硅基光 集成器件或硅基光电集成器件，本发明生长方法易于和常用的硅集成器件工艺达到兼容， 也不会使集成器件中的电子器件，可能因金属沾污导致性能的退化。

附图说明

图1氧化硅纳米线的扫描电子显微镜照片。

图2氧化硅纳米线的透射电子显微镜照片。