專利名稱：硅納米線裝配的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子技術(shù)，尤其涉及一種硅納米線裝配的方法。
技術(shù)背景目前，平面型硅器件特征尺寸的不斷縮小，推動了微電子學(xué)器件和電路性能和集成度 的提高，實際上，今天的微電子學(xué)領(lǐng)域硅器件的特征尺寸已經(jīng)在100nm以下，已經(jīng)是真正意 義上的"納米電子學(xué)"。針對納米尺寸的器件，目前有兩種制造方法 一種是自上而下 (t叩-down)的方法，另一種是自底向上(bottom-up)的方法。目前應(yīng)用廣泛的納米結(jié)構(gòu)包括納米帶、納米線、納米顆粒、量子點等，納米線是指對 應(yīng)的橫向尺寸被限制在100納米之內(nèi)，縱向尺寸沒有限制的一維結(jié)構(gòu)。這種尺度上，量子效 應(yīng)很顯著，因此也被稱作"量子線"。根據(jù)組成材料的不同，納米線可分為不同的類型，包 括金屬納米線(如Ni， Pt， Au等)，半導(dǎo)體納米線(如InP， Si， GaN等)和絕緣體納 米線(如Si02， Ti02等)。典型的納米線的長寬比在1000以上，這種結(jié)構(gòu)的納米線具有 許多特殊的性質(zhì)，在納電子領(lǐng)域，納米線可以做為量子器件的連線、場發(fā)射器和生物分子 納米傳感器等，也可以被用來制作超小電路。其中，單晶結(jié)構(gòu)的硅納米線(SiNW)在納米電子學(xué)和太陽能納米能源等方面表現(xiàn)出潛 在的應(yīng)用優(yōu)勢，如，SiNW-FET具有高跨導(dǎo)和低關(guān)態(tài)電流，證明是最有應(yīng)用前景的納米器 件，其關(guān)鍵器件參數(shù)優(yōu)于平面硅FET (場效應(yīng)管)器件，在同樣摻雜濃度下，p型Si麗-FET 的空穴遷移率比平面硅FET器件高一個數(shù)量級；另外，在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，尤其在熱電轉(zhuǎn)換方 面，Si麗材料的塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率等指標均優(yōu)于對應(yīng)體材料一個數(shù)量級以上。現(xiàn)有技術(shù)中，對以上性能優(yōu)越的硅納米線結(jié)構(gòu)和器件的裝配方法， 一般是自底向上的 方法，首先用化學(xué)或物理方法制造出納米結(jié)構(gòu)，然后用一定裝配方法將這些結(jié)構(gòu)按特定要 求裝配成器件和電路。這就需要能夠有效控制納米線在襯底上的位置、方向等，使納米線 能夠按照預(yù)先設(shè)計的模式放置和排列。目前小規(guī)模的硅納米線陣列裝配技術(shù)主要有催化劑對準法、電場對準法、流體裝配 法、Langmuir-Blodgett裝配法、合金分解法等方法。上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點裝配效果不理想，只能裝配小規(guī)模的納米線陣列
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種裝配效果好，可以用于裝配大規(guī)模的納米線陣列的硅納米線 裝配的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的硅納米線裝配的方法，包括硅納米線的平行裝配，其特征在于，將多條硅納 米線置于溫度場中，所述多條硅納米線沿所述溫度場的方向平行排列，形成平行硅納米線 陣列。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的硅納米線裝配的方法，由于將 多條硅納米線置于溫度場中，在溫度場的作用下，多條硅納米線沿溫度場的方向平行排 列，形成平行硅納米線陣列。裝配效果好，可以用于裝配大規(guī)模的納米線陣列。


圖l為本發(fā)明中通過溫度場安裝平行陣列硅納米線的示意圖；圖2為本發(fā)明中通過磁場安裝正交陣列硅納米線的示意圖；圖3為本發(fā)明中摻Fe的Si。.95Fe。.。5納米線在溫度為300K下的磁滯回線示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的硅納米線裝配的方法，其較佳的具體實施方式
是，包括硅納米線的平行裝配。硅納米線的平行裝配方法如圖l所示，將多條硅納米線置于溫度場中，多條硅納米線 在溫度場的作用下，沿溫度場的方向平行排列，形成平行硅納米線陣列。溫度場可以由熱端和冷端形成，通過熱端與冷端之間的溫度差形成需要的溫度場?？?用于安裝硅納米線的直徑為4.9nm士1.0nm、 9. 7nm士1.5nm、 19. 8±2. Onm、 30nm士3nm，等 各種規(guī)格的硅納米線。本發(fā)明的硅納米線裝配的方法，還包括硅納米線的正交裝配。硅納米線的正交裝配方法如圖2所示，將一條或多條稀磁硅納米線置于磁場中，稀磁 硅納米線在磁場的作用下，沿磁場的方向排列，形成與上述平行硅納米線陣列垂直的正交 陣列。其中，稀磁硅納米線的制作方法可以是，在硅納米線的生長過程中摻雜Fe元素，并在 生長后進行退火處理和磁性激活處理，形成稀磁硅納米線。也可以采用其它的方法形成稀 磁硅納米線。稀磁硅納米線可以為核-鞘型結(jié)構(gòu)，核-鞘型結(jié)構(gòu)包括芯部的核和外層的鞘，F(xiàn)e元素可 以參雜于外層的鞘中。Fe元素的參雜濃度可以小于或等于5X。本發(fā)明的硅納米線裝配的方法可以適用于p型納米線和n型納米線?？梢赃m用于硅納米 線的平行陣列或垂直正交陣列的裝配，也可以用于硅納米線的斜交陣列的裝配。目前對大面積Si麗的裝配要求， 一般是平行陣列或垂直正交陣列這兩種情況，例如， 在SiNW太陽能電池陣列中，需要數(shù)以萬計的納米線平行排列，并且p型和n型納米線交叉連 接；在Si麗組成的納米電路中，也需要不同納米線之間平行或正交。本發(fā)明中硅納米線平行裝配方法的原理是，硅納米線在溫度場的作用下，具有自組織 的特性。在通過金屬催化CVD (化學(xué)氣相淀積)法生長硅納米線的過程中，原各納米線能夠平 行生長，但在生長過程中，由于各種因素的影響，包括金顆粒的形狀、位置等，如果生長 納米線較長，則納米線很難保持彼此之間的平行關(guān)系。本發(fā)明可以通過溫度場的控制來克服硅納米線之間不平行的問題。把生長后的納米線 (放在一個溫度場中，當(dāng)溫度梯度達到一定時，納米線出現(xiàn)一種自組織現(xiàn)象，彼此向平行 方向移動，直至彼此平行。生長出來的大面積平行硅納米線陣列，能夠做到的對準面積達 1.5平方厘米或者更大。不同的硅納米線對溫度場的敏感程度不同，比如，對n型納米線和p型納米線，所對應(yīng) 的溫度場的敏感程度不同。因此具體裝配過程中，硅納米線的溫度場可以根據(jù)硅納米線的 直徑、距離和摻雜等因素進行控制，本發(fā)明中，用磁場控制的方法進行硅納米線正交裝配方法的原理是，在外加磁場的作 用下，具有微磁特性的納米線具有自裝配的特性。在生長硅納米線的過程中摻雜Fe元素，生長的硅納米線(Si :FeNW)經(jīng)過適當(dāng)退火處理 和磁性激活等處理，表現(xiàn)出了一定的微磁性，形成稀磁硅納米線。如圖3所示，為摻Fe的Si。.95Fe。.。5硅納米線在溫度為300K下的磁滯回線，可以證明，該 納米線具有微磁性。本發(fā)明中的硅納米線可以采用金屬催化CVD (化學(xué)氣相淀積)法生長，也可以采用其 它的方法生長。具體可以選擇玻璃為襯底，首先濺射一層厚度為20納米的金層，通過化學(xué) 腐蝕方法，使之形成直徑為5nm(4. 9nm士 l.Onm) 、 10nm(9. 7nm± 1. 5nm) 、 20nm(19. 8± 2.0nm)、 30nm(30nm土3nm)金納米團簇，然后在435-46(TC ，使用硅垸作為硅反應(yīng)物生長 Si麗，生長過程中，使用氫氣作為管道中的氣體，能夠有效降低所生長出的納米線的表面
粗糙度。本發(fā)明中，在稀磁硅納米線的生長過程中，摻入Fe離子，采用的方法是"核-鞘 法"，先按照金屬催化CVD法生長硅納米線作為核，然后降低生長溫度，通過調(diào)整硅烷和氧 化鐵的含量，將其混合物作為"鞘"，共同構(gòu)成"核-鞘"結(jié)構(gòu)的稀磁半導(dǎo)體納米線。本發(fā)明通過外加磁場方法，能夠達到控制稀磁硅納米線移動的目的。不但能將納米線 對齊，還能夠提高集成度。當(dāng)鞘中鐵離子的含量為5%以下的情況下，在垂直于其順磁方向 上會存在排斥力，該排斥力同樣來源于磁場，但對于控制裝配密度無疑會是有用的，利用 這一排斥力和外加磁場相結(jié)合的方法，可以控制集成度。本發(fā)明是利用溫度場及磁場控制的方法進行硅納米線的裝配，通過溫度場的控制，利 用硅納米線在溫度場中具有自組織的特性，能夠用來裝配平行的納米線；硅納米線通過稀 磁雜化的方法，使之具有弱磁性，然后通過外加磁場控制的方法進行裝配。既能裝配互相 平行的硅納米線，也能采用多層技術(shù)裝配正交的納米線，使構(gòu)成網(wǎng)格式的納米線陣列，為 今后開展自底向上的納米集成電路的制造技術(shù)打下基礎(chǔ)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種硅納米線裝配的方法，包括硅納米線的平行裝配，其特征在于，將多條硅納米線置于溫度場中，所述多條硅納米線沿所述溫度場的方向平行排列，形成平行硅納米線陣列。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，包括熱端和冷端，所述 熱端與冷端之間形成所述的溫度場。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，所述硅納米線的直徑為 以下尺寸中的一種或多種4.9nm士1.0nm、 9.7nm士1.5nm、 19.8士2.0nm、 30nm土3nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，還包括硅納米線 的正交裝配，所述硅納米線的正交裝配包括將一條或多條稀磁硅納米線置于磁場中，所述 稀磁硅納米線沿所述磁場的方向排列，形成與所述平行硅納米線陣列垂直的正交陣列。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，所述稀磁硅納米線在生 長過程中摻雜Fe元素，并在生長后進行退火處理和磁性激活處理。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，所述稀磁硅納米線為 核-鞘型結(jié)構(gòu)，所述核-鞘型結(jié)構(gòu)包括芯部的核和外層的鞘，所述Fe元素參雜于所述外層的 鞘中。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，所述Fe元素的參雜濃度 小于或等于5%。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線裝配的方法，其特征在于，所述硅納米線和稀磁硅 納米線分別包括P型納米線或n型納米線的一種或兩種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅納米線裝配的方法，通過溫度場的控制，應(yīng)用硅納米線在溫度場中具有自組織的特性，能夠用來裝配平行的納米線；硅納米線通過稀磁雜化的方法，使之具有弱磁性，然后通過外加磁場控制的方法進行正交裝配。既能裝配互相平行的硅納米線，也能采用多層技術(shù)裝配正交的納米線，使構(gòu)成網(wǎng)格式的納米線陣列，裝配效果好，可以用于裝配大規(guī)模的納米線陣列。
文檔編號B82B3/00GK101399167SQ20081011669
公開日2009年4月1日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者姜巖峰 申請人:北方工業(yè)大學(xué)