一種制備ZnO納米柵欄的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，包括如下步驟：（1）GaN襯底光刻；（2）襯底涂覆金催化劑反應(yīng)溶液；（3）加熱襯底，溶液收縮；（4）金從溶液中被還原出來(lái)，呈閉合環(huán)形分布；（5）用CVD法由催化劑誘導(dǎo)生長(zhǎng)ZnO納米線柵欄。本發(fā)明利用光刻后襯底表面的親疏水性差別來(lái)控制納米金顆粒分布，以此誘導(dǎo)生長(zhǎng)納米線柵欄，不同于傳統(tǒng)的控制方法，具有明顯的創(chuàng)新意義和期望更廣的應(yīng)用范圍。
【專利說(shuō)明】一種制備ZnO納米柵欄的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備ZnO納米半導(dǎo)體材料的方法，尤其涉及一種制備ZnO納米柵欄的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋅(ZnO)作為一種具有優(yōu)良?jí)弘姟⒐怆娞匦缘陌雽?dǎo)體材料，它擁有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，相對(duì)于S1、GaN等半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)它又具有大的禁帶寬度(Eg =3.37eV)以及高的激子束縛能(60meV)，一維ZnO納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的形貌和優(yōu)異性能，已經(jīng)被制成多種一維納米結(jié)構(gòu)，比如納米棒、納米線、納米管、納米帶、納米梳、納米彈簧、納米弓和納米推進(jìn)器等廣泛的應(yīng)用在納米發(fā)電機(jī)、納米激光器、LED、傳感器、太陽(yáng)能電池等新型納米器件和系統(tǒng)。由第三代半導(dǎo)體材料ZnO和GaN組成的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出極大的應(yīng)用價(jià)值，高質(zhì)量的P、1、η型的GaN外延層已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。由于ZnO納米線的制備方法不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)具有多樣性，而ZnO納米線的形貌對(duì)ZnO納米器件的性能有很大影響，因此對(duì)ZnO—維納米線生長(zhǎng)和排布的控制對(duì)其應(yīng)用研宄顯得非常重要。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)對(duì)ZnO納米線柵欄的制備通常首先采用光刻方法在襯底刻出相應(yīng)的圖案，然后鍍上金催化劑膜，去除光刻膠后，襯底上留下柵欄形催化劑圖案，然后再以高溫CVD法生長(zhǎng)ZnO納米線，由此可生成的ZnO納米線柵欄。其缺點(diǎn)是光刻膠被金膜覆蓋，去膜困難，受光刻技術(shù)限制柵欄尺寸難以做得更小。Wang，X.D等報(bào)道采用催化劑制備納米線柵欄的方法，該法以單層密排聚苯乙烯微球(PS)作掩膜，蒸鍍金到襯底，形成蜂巢狀金催化劑，然后再以高溫CVD法生長(zhǎng)ZnO納米線，可生成六角形的納米線柵欄。該法六角形圖案尺寸由PS球大小控制，邊長(zhǎng)典型值約0.5 μ m (Large -sea Ie hexagona 1-patterned growth ofa I igned ZnO nanorods for nano-optoe lectron ics and nanosensor arrays.NanoLetters, 2004.4(3):p.423-426)。該文獻(xiàn)采用單層密排聚苯乙烯微球(PS)取代光刻膠作掩膜，技術(shù)相對(duì)復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種制備ZnO納米柵欄的方法，包括如下步驟:(I)GaN襯底光刻；(2)襯底涂覆金催化劑反應(yīng)溶液；(3)加熱襯底，溶液收縮；(4)金從溶液中被還原出來(lái)，呈閉合環(huán)形分布；(5)用CVD法由催化劑誘導(dǎo)生長(zhǎng)ZnO納米線柵欄。
[0005]本發(fā)明更進(jìn)一步的方法包括:首先在GaN襯底上光刻出一定樣式，然后涂覆撤11(:14與還原劑混合水溶液，加熱襯底，待溶劑完全揮發(fā)，洗去光刻膠；將處理過(guò)的襯底放入真空管式爐中，采用用高溫化學(xué)氣相沉積方法(CVD)，在高溫管式真空爐中間放置盛有化學(xué)反應(yīng)物的舟，化學(xué)反應(yīng)物包括氧化鋅粉和石墨粉，其氣流下游位置放置襯底，然后用機(jī)械泵把真空管式爐抽真空，把真空管加熱到800-1200°C，然后通入載氣，控制壓強(qiáng)到30-400毫巴，生長(zhǎng)時(shí)間根據(jù)所需納米線長(zhǎng)度設(shè)定，然后讓真空管式爐自然降溫，在GaN襯底上即可制備出的氧化鋅納米線柵欄。
[0006]上述技術(shù)方案中，還原劑選自EG(乙二醇)、乙醇、乙醛或檸檬酸等還原性有機(jī)小分子中的一種或多種。不同還原劑在反應(yīng)中價(jià)態(tài)變化不一樣，因此配比不是固定的，得根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式確定。HAuCl4與還原劑比例當(dāng)小于化學(xué)配比，即保持還原劑過(guò)量狀態(tài)。
[0007]上述任意技術(shù)方案中，加熱襯底的溫度為80_100°C ;襯底放置于盛有化學(xué)反應(yīng)物的舟的氣流下游O-1Ocm范圍。
[0008]上述任意技術(shù)方案中，氧化鋅粉和石墨粉的質(zhì)量比為1:1-9:4;還可引入S、Co、N1、P等摻雜元素。
[0009]上述任意技術(shù)方案中，載氣包括工作氣體和氧氣；工作氣體選自氮?dú)?，氬氣或氦氣。載氣中氧氣分壓為1-2%。
[0010]在GaN襯底上光刻出一定樣式可采用通常光刻步驟:1，襯底清洗；2，旋涂光刻膠；4，前烘；5，曝光(掩膜板提供光刻圖案)；6，顯影；7，后烘。
[0011]本發(fā)明利用光刻后襯底表面的親疏水性差別來(lái)控制納米金顆粒分布，以此誘導(dǎo)生長(zhǎng)納米線柵欄，不同于傳統(tǒng)的控制方法，具有明顯的創(chuàng)新意義和期望更廣的應(yīng)用范圍。光刻后的GaN襯底，由于GaN表面的疏水性，光刻膠與襯底接觸處是鍍金溶液收縮后停留的地方，最后生成的金催化劑顆粒也會(huì)存在于該地方。因此當(dāng)光刻出閉合孔時(shí)，金催化劑會(huì)沿孔邊緣閉合分布，由此誘導(dǎo)生長(zhǎng)出納米線柵欄。本發(fā)明利用襯底表面親疏水性的差異可用來(lái)控制催化劑分布，從而進(jìn)一步控制納米材料的生長(zhǎng)，同樣可運(yùn)用于其他納米線柵欄的制備。例如:可用同樣的方法制備金催化劑，以實(shí)現(xiàn)對(duì)InP納米線生長(zhǎng)位置的控制。還可以用于制備Fe催化劑，以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管生長(zhǎng)位置的控制。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]附圖1為GaN襯底光刻步驟不意圖；
[0013]附圖2為襯底涂覆金催化劑反應(yīng)溶液步驟示意圖；
[0014]附圖3為加熱襯底，溶液收縮至臺(tái)階邊緣示意圖；
[0015]附圖4為金從溶液中被還原出來(lái)，沿臺(tái)階分布成閉合環(huán)形示意圖；
[0016]附圖5為用CVD法由催化劑誘導(dǎo)生長(zhǎng)納米柵欄示意圖；
[0017]附圖6為ZnO納米線柵欄掃描電鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0018]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0019]實(shí)施例1
[0020]在GaN襯底上光刻出一定樣式，光刻步驟:首先在洗凈的GaN襯底上用旋涂方法涂上光刻膠(Su82000)膜，然后在120°C下烘烤20min，在5μπι透光方孔掩膜板掩蓋下采用紫外曝光(3mW，30s)，顯影液中洗去曝光部分，120°C下烘烤20min以上即可得到光刻后的襯底。然后涂覆5禮撤11(:14與0.2v/v% EG混合溶液，加熱襯底至90°C，待溶劑完全揮發(fā)，用丙酮洗去光刻膠；將處理過(guò)的襯底放入真空管式爐中，采用用高溫化學(xué)氣相沉積方法(CVD)，在高溫管式真空爐中間放置盛有化學(xué)反應(yīng)物(氧化鋅粉和石墨粉)的舟，其氣流下游位置5cm內(nèi)放置襯底，然后用機(jī)械泵把真空管式爐抽真空，把真空管加熱到960度，然后通入10sccm氮?dú)夂?.5sccm的氧氣，控制壓強(qiáng)到300毫巴，生長(zhǎng)20分鐘，然后讓真空管式爐自然降溫，在GaN襯底上即可制備出的氧化鋅納米線柵欄(見(jiàn)附圖6)。
[0021]實(shí)施例2
[0022]在GaN襯底上光刻出一定樣式，光刻步驟:首先在洗凈的GaN襯底上用旋涂方法涂上光刻膠(Su82000)膜，然后在120°C下烘烤20min，在5μπι透光方孔掩膜板掩蓋下采用紫外曝光(3mW，30s)，顯影液中洗去曝光部分，120°C下烘烤20min以上即可得到光刻后的襯底。然后涂覆51111撤11(:14與0.2v/v%乙醇混合溶液，加熱襯底至100°C，待溶劑完全揮發(fā)，用丙酮洗去光刻膠；將處理過(guò)的襯底放入真空管式爐中，采用用高溫化學(xué)氣相沉積方法(CVD)，在高溫管式真空爐中間放置盛有化學(xué)反應(yīng)物(氧化鋅粉和石墨粉)的舟，其氣流下游位置8cm內(nèi)放置襯底，然后用機(jī)械泵把真空管式爐抽真空，把真空管加熱到1200度，然后通入10sccm氬氣和1.5sccm的氧氣，控制壓強(qiáng)到100毫巴，生長(zhǎng)2小時(shí)，然后讓真空管式爐自然降溫，在GaN襯底上即可制備出的氧化鋅納米線柵欄。
[0023]實(shí)施例3
[0024]在GaN襯底上光刻出一定樣式，光刻步驟:首先在洗凈的GaN襯底上用旋涂方法涂上光刻膠(Su82000)膜，然后在120°C下烘烤20min，在5μπι透光方孔掩膜板掩蓋下采用紫外曝光(3mW，30s)，顯影液中洗去曝光部分，120°C下烘烤20min以上即可得到光刻后的襯底。然后涂覆51111撤11(:14與0.2v/v%乙醛混合溶液，加熱襯底至100°C，待溶劑完全揮發(fā)，用丙酮洗去光刻膠；將處理過(guò)的襯底放入真空管式爐中，采用用高溫化學(xué)氣相沉積方法(CVD)，在高溫管式真空爐中間放置盛有化學(xué)反應(yīng)物(氧化鋅粉和石墨粉)的舟，其氣流下游位置8cm內(nèi)放置襯底，然后用機(jī)械泵把真空管式爐抽真空，把真空管加熱到1200度，然后通入10sccm氬氣和1.5sccm的氧氣，控制壓強(qiáng)到100毫巴，生長(zhǎng)2小時(shí)，然后讓真空管式爐自然降溫，在GaN襯底上即可制備出的氧化鋅納米線柵欄。
[0025]實(shí)施例4
[0026]在GaN襯底上光刻出一定樣式，光刻步驟:首先在洗凈的GaN襯底上用旋涂方法涂上光刻膠(Su82000)膜，然后在120°C下烘烤20min，在5μπι透光方孔掩膜板掩蓋下采用紫外曝光(3mW，30s)，顯影液中洗去曝光部分，120°C下烘烤20min以上即可得到光刻后的襯底。然后涂覆51111撤11(:14與0.2v/v% EG混合溶液，加熱襯底至100°C，待溶劑完全揮發(fā)，用丙酮洗去光刻膠；將處理過(guò)的襯底放入真空管式爐中，采用用高溫化學(xué)氣相沉積方法(CVD)，在高溫管式真空爐中間放置盛有化學(xué)反應(yīng)物(氧化鋅粉，石墨粉和Al2O3粉混合)的舟，其氣流下游位置8cm內(nèi)放置襯底，然后用機(jī)械泵把真空管式爐抽真空，把真空管加熱到1100度，然后通入10sccm氬氣和1.5sccm的氧氣，控制壓強(qiáng)到100毫巴，生長(zhǎng)2小時(shí)，然后讓真空管式爐自然降溫，在GaN襯底上即可制備出的Al摻雜氧化鋅納米線柵欄。
[0027]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，包括如下步驟:(I) GaN襯底光刻；(2)襯底涂覆金催化劑反應(yīng)溶液；(3)加熱襯底，溶液收縮；(4)金從溶液中被還原出來(lái)，呈閉合環(huán)形分布；(5)用CVD法由催化劑誘導(dǎo)生長(zhǎng)ZnO納米線柵欄。
2.—種制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，包括如下步驟:首先在GaN襯底上光刻出一定樣式，然后涂覆HAuCl4與還原劑混合水溶液，加熱襯底，待溶劑完全揮發(fā)，洗去光刻膠；將處理過(guò)的襯底放入真空管式爐中，采用用高溫化學(xué)氣相沉積方法(CVD)，在高溫管式真空爐中間放置盛有化學(xué)反應(yīng)物的舟，化學(xué)反應(yīng)物包括氧化鋅粉和石墨粉，其氣流下游位置放置襯底，然后用機(jī)械泵把真空管式爐抽真空，把真空管加熱到800-120(TC，然后通入載氣，控制壓強(qiáng)到30-400毫巴，生長(zhǎng)時(shí)間根據(jù)所需納米線長(zhǎng)度設(shè)定，然后讓真空管式爐自然降溫，在GaN襯底上即可制備出的氧化鋅納米線柵欄。
3.如權(quán)利要求2所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述還原劑選自EG(乙二醇)、乙醇、乙醛或檸檬酸中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求2或3所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述HAuCl4與還原劑比例當(dāng)小于化學(xué)配比，即保持還原劑過(guò)量狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，加熱襯底的溫度為80-100。。。
6.如權(quán)利要求4所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述襯底放置于盛有化學(xué)反應(yīng)物的舟的氣流下游O-1Ocm范圍。
7.如權(quán)利要求4所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述氧化鋅粉和石墨粉的質(zhì)量比為1:1_9:4。
8.如權(quán)利要求4所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述化學(xué)反應(yīng)物包括Ga、Al、As、Sb、Cu、S、Co、Na、Ni 或 P 摻雜元素。
9.如權(quán)利要求4所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述載氣包括工作氣體和氧氣。
10.如權(quán)利要求9所述制備ZnO納米柵欄的方法，其特征在于，所述工作氣體選自氮?dú)?，氬氣或氦氣，載氣中氧氣分壓為1_2%。
【文檔編號(hào)】C23C16/40GK104505343SQ201410718583
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】王亮, 陸文強(qiáng), 宋金會(huì), 馮雙龍, 王鳳麗, 李振湖 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院