納米帶的制備方法及其在光探測(cè)器中的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種制備ZrSe3和HfSe3納米帶的方法，即將鋯粉(或鉿粉)與硒粉按照1∶3比例混合，充分研磨混合均勻并裝入一端封閉的石英管中，抽真空，火焰封閉另一端。將密封好的石英管水平放入管式爐的中，原料在爐子中間，在550-750℃反應(yīng)一段時(shí)間后，原料全部轉(zhuǎn)化為ZrSe3(或HfSe3)納米帶。然后，將這兩種納米帶分別在SiO2/Si基片上加工成單根納米帶的場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為光探測(cè)器。這兩種光探測(cè)器在可見光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有良好的光敏感特性。本發(fā)明公開了其材料制備方法和該探測(cè)器的制造方法。
【專利說明】ZrSe1^n HfSedfl米帶的制備方法及其在光探測(cè)器中的應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ZrSejPHfSe3m米帶的合成方法及其單根納米線光探測(cè)器的加工。具體地說，以鋯粉、鉿粉和硒粉為原料。按鋯硒1: 3的摩爾比將原料封閉在石英管中，用化學(xué)氣運(yùn)傳輸法生長(zhǎng)ZrSe3納米帶。按上述同樣的方法制備HfSe3納米帶。取上述納米帶少許分別在適量的乙醇溶液中超聲分散，然后分別滴加到Si02/Si基片上。用雙膠光刻工藝、真空濺射技術(shù)以及剝離技術(shù)在上述帶樣品的基片上加工出幾百個(gè)Ti/Au電極陣列，從而實(shí)現(xiàn)單根納米線被兩電極的連接，構(gòu)成光探測(cè)器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著微尺度加工技術(shù)和表征手段的進(jìn)一步發(fā)展，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)許多微納結(jié)構(gòu)材料(如納米帶、納米線、薄層納米片、納米紙)具有新奇的性能。優(yōu)異的性能使人們確信微納米器件時(shí)代的到來，繼而制備出各種各樣的納米材料，并組裝成微納器件。過渡金屬三硫化物MX3家族是假一維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體和金屬體，由于結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致性能的各向異性而引起了人們的關(guān)注。過去幾年來，我們已合成了一些過渡金屬二硫化物納米帶，并在場(chǎng)發(fā)射和可見光探測(cè)器件上獲得應(yīng)用。最近的研究發(fā)現(xiàn)，過渡金屬三硫化物納米帶具有較好的光敏性，并能加工成光傳感器件。ZrSejP HfSe3是一類重要的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度分別為1.818eV和2.24eV,光吸收覆蓋了紫外-可見光區(qū)域，是一類很有潛力的光電材料。本專利報(bào)道ZrSe3和HfSe3納米帶的制備方法和基于其單根納米帶光探測(cè)器的制造方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供ZrSe3和HfSe3納米帶的合成方法及其單根納米線光探測(cè)器的加工。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005](I)ZrSe3納米帶的制備方法:它是將鋯粉與硫粉按1: 3的摩爾比放入一端封閉的石英管中，抽真空至KT2Pa以下，將石英管火焰密封(Φ6πιπιΧ 10cm,真空度ca.1(T2Pa)，然后把它放在水平管式高溫爐中間，使樣品置于爐子的中間在550-750°C下加熱5-24小時(shí)，即石英管內(nèi)的原料全部轉(zhuǎn)化成ZrSe3納米帶。
[0006](2)HfSe3納米帶的制備方法:它是將鉿粉與硫粉按1: 3的摩爾比放入石英管中，抽真空至KT2Pa以下，將石英管火焰密封(Φ6mmX 10cm，真空度ca.1(T2Pa)，把石英管水平放置在管式高溫爐中間，使樣品置于爐子的中間在550-750°C下加熱5-24小時(shí)，即石英管內(nèi)的樣品全部轉(zhuǎn)化成HfSe3納米帶。ZrSe3和HfSe3納米帶的形貌與成分分別用SEM(掃描電鏡)和EDS(能量損失譜)表征，如圖1。
[0007](3) ZrSe3單根納米帶光探測(cè)器的加工方法:取ZrSe3納米帶少許放在5_10mL的乙醇溶液中超聲分散5分鐘，然后取上清液滴加到Si02/Si基片上，用光學(xué)顯微鏡觀察其均勻度，乙醇揮發(fā)后形成均勻分布ZrSe3納米帶(較稀)。用雙膠光刻工藝(分別在帶樣品的基片上旋轉(zhuǎn)涂膠、烘膠、二次涂膠、烘膠、曝光(帶電極掩膜)、烘膠、泛曝光、顯影工序，將器件圖案化。)、真空濺射沉積Ti/Au電極(光刻好的基片放置在電子束、離子濺射或PLD系統(tǒng)真空腔內(nèi)，通過控制條件沉積Ti/Au源-漏電極)以及剝離技術(shù)(去膠)在上述帶樣品的基片上加工出幾百個(gè)Ti/Au電極陣列，從而實(shí)現(xiàn)單根納米線被兩電極的連接，構(gòu)成光探測(cè)器。
[0008](4) HfSe3單根納米帶光探測(cè)器的加工方法:按(3)的實(shí)驗(yàn)方法，用HfSe3納米帶代替ZrSe3納米帶做實(shí)驗(yàn)，即得HfSe3單根納米帶光探測(cè)器。
[0009]本發(fā)明的光探測(cè)器能從紫外到可見光范圍的探測(cè)，響應(yīng)速度快，原料易得，制作簡(jiǎn)單實(shí)用，可以在民用中發(fā)揮作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明:(a) ZrSe3納米帶的SEM (掃描電鏡)圖；(b) ZrSe3納米帶的放大的SEM圖；(C)ZrSe3納米帶的EDS (X射線能量損失譜)；((I)HfSe3納米帶的SEM圖；(e) HfSe3納米帶的放大的SEM圖；(f)HfSe3納米帶的EDS。
[0011]圖2為本發(fā)明:光探測(cè)器(晶體管)的構(gòu)建示意圖。
[0012]圖3為本發(fā)明:(&)2663單根納米帶光探測(cè)器的SEM圖；化”巧巧單根納米帶光探測(cè)器在不同頻率光照下的I (電流)-V(電壓)曲線；(C)HfSe3單根納米帶光探測(cè)器的SEM圖；(d)HfSe3單根納米帶光探測(cè)器在不同頻率光照下的1-V曲線。
[0013]圖4為本發(fā)明:(a)單根ZrSe3光電探測(cè)器在650nm光照下開關(guān)轉(zhuǎn)換下的1(電流)_t (時(shí)間)曲線；(b，c)單根ZrSe3光電探測(cè)器衰減時(shí)間/上升時(shí)間的局部放大圖。
[0014]圖5為本發(fā)明:(a)單根HfSe3光電探測(cè)器在532nm光照下開關(guān)轉(zhuǎn)換下的1(電流)_t (時(shí)間)曲線；(b、c)單根HfSe3光電探測(cè)器衰減時(shí)間/上升時(shí)間的局部放大圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1.ZrSe3納米帶的制備方法
[0016]首先將鋯粉末(99.95%,91.17mg)與硒粉末(99.99%,236.88mg)按照摩爾比I: 3混合研磨均勻并裝入一端封閉的石英管中，抽真空，火焰封管。將密封好的石英管(◎6mmX10cm，ca.1(T2Pa)水平放入管式爐中，樣品放在爐子中間，在650°C下反應(yīng)24h，原料全部轉(zhuǎn)化為三硫化鋯納米帶。反應(yīng)結(jié)束后，石英管自然冷卻至室溫。切開管子后，用攝子將產(chǎn)物取出。結(jié)構(gòu)被XRD證實(shí)。形貌如圖1 (a，b);化學(xué)成分如圖1 (c)。
[0017]實(shí)施例2.ZrSe3納米帶的制備方法
[0018]按實(shí)施例1的步驟制備ZrSe3納米帶材料，但反應(yīng)溫度變?yōu)?50°C和750°C，其他步驟相同。結(jié)果同實(shí)施例1。
[0019]實(shí)施例3.ZrSe3納米帶的制備方法
[0020]按實(shí)施例1的步驟制備ZrSe3納米帶材料，但反應(yīng)時(shí)間變?yōu)?h和20h，其他步驟相同。結(jié)果同實(shí)施例1。
[0021]實(shí)施例4.HfSe3納米帶的制備方法
[0022]首先將鉿粉末(99.95%,173.8mg)與硒粉末(99.99%,236.88mg)按照摩爾比I: 3混合充分研磨并裝入一端封閉的石英管中，抽真空，火焰封管。將密封好的石英管(◎6mmX10cm，ca.1(T2Pa)水平放入管式爐中，原料在爐子中間。在650°C下反應(yīng)24h，原料全部轉(zhuǎn)化為三硫化鋯納米帶。反應(yīng)結(jié)束后，石英管自然冷卻至室溫。用砂輪切開管子后，將產(chǎn)物取出。結(jié)構(gòu)被XRD證實(shí)。形貌如圖1 (d，e);化學(xué)成分如圖1 (f)。
[0023]實(shí)施例5.HfSe3納米帶的制備方法
[0024]按實(shí)施例4的步驟制備HfSe3納米帶材料，但反應(yīng)溫度變?yōu)?50°C和750°C，其他步驟相同。結(jié)果同實(shí)施例4。
[0025]實(shí)施例6.HfSe3納米帶的制備方法
[0026]按實(shí)施例4的步驟制備HfSe3納米帶材料，但反應(yīng)時(shí)間變?yōu)?h和20h，其他步驟相同。結(jié)果同實(shí)施例4。
[0027]實(shí)施例7.基于ZrSe3單根納米帶的光探測(cè)器的加工方法
[0028]將適量ZrSe3納米帶分散于乙醇溶液中，超聲震蕩5min使納米材料均勾懸浮在分散液中，將分散液均勻滴加在清洗后潔凈的Si02 (300nm)/Si襯底上，揮發(fā)后形成均勻分布ZrSe3納米帶。采用光刻工藝，即涂膠、烘膠、二次涂膠、烘膠、曝光(帶掩膜)、烘膠、泛曝光、顯影工序，將器件圖案化，行成反向的電極陳列。然后放置在電子束(PLD系統(tǒng)或離子濺射)真空腔內(nèi)，通過控制條件沉積Ti/Au源-漏電極陣列，再次去膠形成電極陣列，源-漏電極與納米帶及Si02/Si基片構(gòu)成光探測(cè)器(或場(chǎng)效應(yīng)晶體管)(構(gòu)建圖如圖2)。單根納米線晶體管的實(shí)物放大圖如圖3(a);在不同光照下的電流變化如圖3(b)。在650nm光照下器件的開關(guān)效應(yīng)如圖4 (a)。因此，具有良好的可見光傳感作用。
[0029]實(shí)施例8.基于HfSe3單根納米帶的光探測(cè)器的加工方法
[0030]按實(shí)施例7的步驟加工HfSe3單根納米帶光探測(cè)器，只是使用HfSe3納米帶，其他步驟相同。單根HfSe3納米線晶體管的實(shí)物放大圖如圖3(c);在不同光照下的電流變化如圖3(d)。在532nm光照下器件的開關(guān)效應(yīng)如圖5(a)。因此，也具有良好的可見光傳感作用。
【權(quán)利要求】
1.一種制備ZrSe3納米帶的方法:首先將鋯粉末與硒粉末按照摩爾比1: 3混合，研磨混合均勻并裝入一端封閉的石英管中，抽真空，火焰封管。將密封好的石英管水平放入管式爐中間，在550-750°C下反應(yīng)5-24h，原料全部轉(zhuǎn)化為三硫化鋯納米帶。納米帶寬度為20-500nm,長(zhǎng)度為幾十納米。
2.一種制備HfSe3納米帶的方法:首先將鉿粉末與硒粉末按照摩爾比1: 3混合，研磨混合均勻并裝入一端封閉的石英管中，抽真空，火焰封管。將密封好的石英管水平放入管式爐中間，在550-750°C下反應(yīng)5-24h，原料全部轉(zhuǎn)化為HfSe3納米帶。典型的納米帶寬度也為20-500nm，長(zhǎng)度為幾十納米。
3.基于ZrSe3單根納米帶的光探測(cè)器的加工方法:將適量ZrSe3納米帶分散于乙醇溶液中，超聲震蕩使納米材料均勻懸浮在分散液中，將分散液均勻滴加在清洗后潔凈的S12/Si襯底上，揮發(fā)后形成均勻分布ZrSe3納米帶。采用光刻工藝，即涂膠、烘膠、二次涂膠、烘膠、曝光(帶掩膜)、烘膠、泛曝光、顯影工序，將器件圖案化成反向的電極陳列。然后將光刻好的樣品放置在電子束(PLD系統(tǒng)或離子濺射)真空腔內(nèi)，通過控制條件沉積Ti/Au源-漏電極陣列。去膠后，源-漏電極與納米帶及Si02/Si基片構(gòu)成光探測(cè)器。
4.基于HfSe3單根納米帶的光探測(cè)器的加工方法:按權(quán)利3的方法加工HfSe3單根納米帶的光探測(cè)器，只是用HfSe3替代ZrSe3完成微加工實(shí)驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】C01B19/04GK104261358SQ201410460580
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】吳興才, 熊維偉, 朱俊杰, 陳晉強(qiáng) 申請(qǐng)人:南京大學(xué)