[发明专利]制造纳米结构的方法和装置以及互联纳米结构网和纳米结构

说明书

本发明涉及一种制造纳米结构的方法和装置，还涉及互联纳米结构网和纳米结构。

纳米结构，例如纳米线，在许多的技术领域具有许多潜在的应用。例如，在纳米电子领域、柔性电子领域、光电领域、传感器领域、能量收集领域和存储设备领域。C.K.Chan等发表在Nature Nanotechnology 3、31(2008)上的名称为“High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires”的研究论述了最新突破并且证实使用硅纳米线作为阳极材料的先进的锂离子电池比现有的锂离子电池具有更高的电储能密度。

另一个例子是一种基于硅纳米结构的新颖的太阳能电池设计，其能够实现对光照的96％的峰值吸收效率，同时只需要使用传统的硅太阳能电池所需的1％硅材料。该工作被M.D.Kelzenberg等发表在Nature Materials 9、239(2010)上，名称为“Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications”。纳米结构被认为是有希望解决一系列关键技术问题的基础，并且为先进技术领域的主要基础。

不幸的是，由于高的制造成本，纳米结构在大规模的工业使用在实际中受到阻碍。生产纳米结构的主要方法仍是基于R.S.Wagner and W.C.Ellis在1964年首次提出的方法，该方法发表在Appllied Physics Letters 4、89(1964)上，名称为“Vapor-liquid-solid mechanism of single crystal growth”。

所谓的气-液-固(VLS)生长方法采用金属催化剂的微粒作为种子来生长纳米结构。金属种子沉积在固体基板上，通过加热来熔化，并且暴露于包含半导体源材料(例如，硅或者锗)的气氛中。金属液滴会从气体中吸收半导体原子直到它们过饱和，多余的半导体材料在基板的边界处沉淀：使纳米结构生长。

金通常被用做催化剂，因为它在熔化的时候能够溶解硅或者锗。使用这种昂贵的催化剂，以及高的工艺温度，通常为600℃至900℃，将会导致高的制造成本。需要的高工艺温度还需要在工艺中使用昂贵的热阻基板(例如蓝宝石)，会进一步增加制造成本。最后但并非最不重要的，VLS生长方法是一种非常精巧的方法，需要非常准确地对金属催化剂的尺寸(几十纳米数量级)进行控制，气流和压强，以及(均匀的)基板温度，使得VLS工艺极其难以大规模工业规应用。

Zumin Wang等发表在Advanced Materials 23、854-859(2011)上的文章报告了在固体非晶硅/铝(a-Si/Al)双分子层中生长硅纳米线的生长机制的发现。这些会受到原位透射电镜实验的影响。虽然发现的机制允许硅纳米线在相对较低的温度生长，通过固体双分子层进行生长具有严重的缺陷，减慢了其在工业上的应用。

在Wang等报告的生产工艺中，在铝层上首先镀上a-Si层以形成a-Si/Al层。随后，该双层被加热到高温，因此，a-Si层中的硅原子沿着固态的a-Si/Al界面被传输到铝层中的铝晶粒的边界上。硅原子沿着固态的a-Si/Al界面的扩散非常慢，因此，实际上，只有Al晶粒的边界附近的a-Si材料被消耗用于生长。然而，在硅纳米线生长后，固体a-Si的体部仍然在Al层之上。

纳米线从a-Si层的材料中生长，意味着纳米线内在的与a-Si层的体部相连，这使得从剩余的a-Si层中分离纳米线变的困难，阻碍了这些纳米线的进一步应用。剩余的大量的未反应的a-Si会导致大量的源材料的浪费，因此，使用该反应将导致不可接受的低产出。

进一步的，由于邻近Al晶粒边界的a-Si层的a-Si材料的损耗，Si纳米线的生长总是会终止，而不需要在铝中使用完全的晶粒边界网。这意味着，生长的Si纳米线没有横向互联，并且不会生长到可能的完全尺寸。

鉴于此，本发明的目标是提出一种制造纳米结构的替代的方法，该方法在使用时能够相对便宜，制造结果具有较好的可重复性，并可以进行纳米结构的工业规模的生产，同时提供互联的纳米结构的有益的网和有利的纳米结构。

通过权利要求1中的制造方法，以及权利要求19中的互联纳米结构网，权利要求32中的纳米结构，权利要求33中的装置来实现本发明的目的。

特别地，制造纳米结构的方法包括如下步骤：

a)提供在至少一表面上具有多晶硅膜的基板，其中，所述多晶膜具有晶粒边界。