[发明专利]纳米线生长和获取的体系和方法

说明书

本申请是优先权日为2004年4月30日、发明名称为“纳米线生长和获取的体系和方法”的中国发明专利申请200580021904.1(国际申请号PCT/US2005/014923)的分案申请。

技术领域

本发明涉及纳米线，更具体而言，涉及纳米线生长和获取。

背景技术

纳米结构，特别是纳米线具有推动全新一代电子器件的潜力。基于纳米结构的这种新一代电子器件的主要阻碍在于使具有一致特性的纳米线和其它纳米结构有效生长并将其获取的能力。生长和获取纳米线的现有方法不便于大规模生产并且不产生一致的纳米线特性。

需要使具有一致特性的纳米线生长并将其获取的体系和方法。

发明内容

本发明提供用于制备纳米线的方法，该方法包括：在衬底材料上沉积一个或多个成核颗粒；将所述成核颗粒加热至第一温度；使所述成核颗粒与第一前体气体混合物接触以生成液体合金小滴并引发纳米线生长；将合金小滴加热至第二温度并使所述合金小滴与第二前体气体混合物接触；由此使纳米线在所述合金小滴的位置生长。在本发明的方法中使用的衬底材料可以是晶体或非晶的。适宜地，衬底材料包含多晶或单晶的晶体硅。在其它实施方案中，衬底可以是非晶SiO₂、Si₃N₄或氧化铝。

在另一个实施方案中，本发明提供用于制备纳米线(例如Si纳米线)的方法，该方法包括：在衬底材料(或在衬底表面上的成核颗粒(例如通过加热表面上的金膜涂覆层))上沉积一个或多个成核颗粒(例如金属催化剂如金纳米颗粒)；将所述成核颗粒加热至第一前体气体和所述成核颗粒具有低共熔相的第一温度；使所述成核颗粒与第一前体气体混合物接触，其中第一前体气体混合物包含第一前体气体，所述第一前体气体包含帮助正在生长的纳米线取向(例如通过以下更详细描述的刻蚀)的至少一种原子物种(例如Cl)；在引发纳米线生长之后使成核颗粒与第二前体气体混合物接触，其中第二前体气体混合物包含一种前体气体，所述前体气体在低于第一温度的第二温度与所述成核颗粒具有低共熔相；和将所述成核颗粒加热至第二温度。

可以反向进行上述方法：在较低温度使用前体气体引发纳米线生长过程，然后在较高温度使用第二前体气体(例如含有帮助纳米线取向的活性蚀刻剂物种如氯的气体)继续进行纳米线生长。使用的第一前体气体优选为在第一温度离解的包含Si和Cl原子的SiCl₄或SiH₂Cl₂。当在晶体衬底上生长时，作为刻蚀硅衬底上的天然氧化物层的结果，Si原子供应纳米线生长并且Cl原子允许纳米线在<111>取向上生长。一旦引发纳米线生长，可以引入包含一种前体气体如SiH₄或Si₂H₆的第二前体气体混合物，所述前体气体和所述成核颗粒在低于第一前体气体的温度具有低共熔相。在第二温度从SiH₄或Si₂H₆离解的Si原子继续使Si纳米线生长。因此，在低于引发纳米线生长的温度的温度使用游离的Si原子可以继续进行纳米线生长，例如允许取向线生长至适宜的长度，同时使金属催化剂向正在生长的纳米线中的扩散最小化。

在这些方法中使用的衬底材料可以是晶体或非晶的。适宜地，衬底材料包含多晶或单晶的晶体硅。在其它实施方案中，衬底可以是非晶SiO₂、Si₃N₄或氧化铝。

在使用晶体衬底的实施方案中，在衬底材料上生长的线可以优选在外延取向上生长。根据本发明的方法制备的纳米线长到衬底材料的平面以外并且能够传输电荷。

在本发明的方法的某些适宜实施方案中，将成核颗粒加热所达到的第一温度高于将合金小滴加热所达到的第二温度。适宜地，第一温度高于第二温度至少约50℃。在本发明的实践中使用的成核颗粒可以适宜为金属催化剂并且可以包含一种金属，所述金属与第一前体气体混合物和第二前体气体混合物都反应以形成Si可以从中析出的低共熔体。适宜的金属催化剂包括Au、Pt、Fe、Ti、Ga、Ni或Sn，并且在某些实施方案中可以是Au胶体或Au膜。