專利名稱：一種制備SiC納米線陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體納米線陣列的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備SiC
納米線陣列的方法。
背景技術(shù)：
納米線是一維納米材料的一種。 一維納米材料相對(duì)于傳統(tǒng)材料呈現(xiàn)出很 多奇特的性質(zhì)，在介觀領(lǐng)域和納米器件研制方面顯示出重要的作用。例如， 它們可用作掃描隧道顯微鏡的針尖、各種傳感器、微電極和超大集成電路中
的連線、光導(dǎo)纖維、微型鉆頭等。SiC是一種寬帶系(2.3eV)半導(dǎo)體材料， 具有一系列的優(yōu)異性能，如抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、熱傳導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性高 等。而一維SiC納米材料則以其獨(dú)特的物理和電子學(xué)特性，受到廣泛的關(guān)注。 作為重要的功能材料， 一維SiC納米材料在高溫、高頻、大功率的半導(dǎo)體器 件以及納米尺度的電子及光電子器件領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。此外， 由于它具有非常高的強(qiáng)度和韌性，因此在結(jié)構(gòu)材料中具有潛在的應(yīng)用前景。 目前，制備SiC納米線的方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)法、溶膠凝膠法、 固相反應(yīng)法、微波合成法等。例如，以Si02和石墨粉為原料，在無(wú)催化劑的 條件下，用化學(xué)氣相沉積的方法得到了項(xiàng)鏈狀的SiC納米線(WeiJ， LiZK， LiHM， etal. Marer. Chem. Phys. ， 2005， 95: 140 144.)。然而，在制備 SiC納米線陣列方面卻很少有報(bào)導(dǎo)，而本發(fā)明正是采用一種新的簡(jiǎn)單的方法制 備出了 SiC納米線陣列。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備SiC納米線陣列的方法。
本發(fā)明的制備SiC納米線陣列的方法是用化學(xué)刻蝕的方法在單晶硅基片表面制備硅納米線陣列；硅納米線陣列在高溫下與碳反應(yīng)形成SiC納米線陣 列，該方法包括以下步驟
1) 采用常規(guī)的化學(xué)刻蝕的方法制備出硅納米線陣列將用氫氟酸清洗過 的單晶硅基片置于硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中浸泡(一般浸泡時(shí)間為3 5 分鐘)；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫 氟酸的濃度為4.8mol/L;將浸泡過硝酸銀和氫氟酸的混合溶液的單晶硅基片 取出后置于雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中進(jìn)行刻蝕，刻蝕溫度為40°C， 刻蝕時(shí)間為40 60分鐘，在單晶硅基片表面沉積有銀離子處，Si會(huì)被刻蝕下 去，而未沉積有銀離子處，Si會(huì)被保留下來，從而在表面刻蝕出垂直定向站 立排列的硅納米線陣列；其中，雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中的雙氧水 的濃度為2 4mmol/L，氫氟酸的濃度為4.8mol/L;
2) 將純度為99.99%的石墨粉放入石墨坩堝的底部，并在位于石墨坩堝中 間處的石墨粉表面上放置一片帶有多孔(優(yōu)選孔徑為lmm)的石墨片，將步 驟1)得到的表面有硅納米線陣列的單晶硅基片放在帶有多孔的石墨片上，然 后將石墨坩堝放入管式爐的中心；或
將純度為99.99°/。的石墨粉放入石墨坩堝的底部，將步驟1)得到的表面 有硅納米線陣列的單晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后將石墨坩堝放入管式 爐的中心；
將管式爐加熱到溫度為1200 1300°C，保溫60 120分鐘；在單晶硅基 片上面得到的黑綠色的物質(zhì)即為所制備的SiC納米線陣列；整個(gè)加熱及保溫 過程中通入惰性氣體(如Ar等)作為保護(hù)氣體，惰性氣體(如Ar等)的流 量?jī)?yōu)選為50 100sccm，管式爐內(nèi)的壓強(qiáng)為40 70Pa。
本發(fā)明是以化學(xué)刻蝕方法制備出的硅納米線陣列作為硅源，再與石墨粉 反應(yīng)得到SiC納米線陣列，制備方法簡(jiǎn)單，得到的SiC納米線為多晶結(jié)構(gòu)， 直徑為100 300nm，長(zhǎng)度為20 30^im。
本發(fā)明所制備的SiC納米線陣列在場(chǎng)發(fā)射及高溫、高頻、大功率的半導(dǎo)
體器件方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。


圖l.用化學(xué)刻蝕的方法得到的硅納米線陣列的正面SEM圖片。圖2.用化學(xué)刻蝕的方法得到的硅納米線陣列的側(cè)面SEM圖片。 圖3.本發(fā)明實(shí)施例1的SiC納米線陣列的SEM圖片。 圖4.本發(fā)明實(shí)施例1的SiC納米線陣列的XRD圖片。 圖5.本發(fā)明實(shí)施例2的SiC納米線陣列的SEM圖片。 圖6.本發(fā)明實(shí)施例3的SiC納米線陣列的SEM圖片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
1 )將用氫氟酸清洗過的單晶硅基片浸泡于硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中 浸泡3分鐘;其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L， 氫氟酸的濃度為4.8mol/L;將浸泡過硝酸銀和氫氟酸的混合溶液的單晶硅基 片取出后置于雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中，其中，雙氧水和氫氟酸混 合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為2mmol/L，氫氟酸的濃度為4.8mol/L;在 水浴中進(jìn)行刻蝕，水浴溫度為40'C，刻蝕時(shí)間為40分鐘，在單晶硅基片表面 沉積有銀離子處，Si會(huì)被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會(huì)被保留下來， 從而在表面刻蝕出垂直定向站立排列的硅納米線陣列；其中硅納米線直徑為 100 200nm,長(zhǎng)約20pm左右；得到的硅納米線陣列的SEM形貌如圖1和圖 2所示。
2)將2g純度為99.99%的石墨粉放入石墨坩堝的底部，將步驟1)得到 的表面有硅納米線陣列的單晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后將石墨坩堝放 入管式爐的中心位置加熱；將管式爐加熱到溫度為1200。C后保溫120分鐘； 在整個(gè)加熱及保溫過程，通入50sccm的Ar作為保護(hù)氣體，管式爐內(nèi)的壓強(qiáng) 為47Pa;待爐溫降到常溫后，取出樣品，在單晶硅基片上面得到了為多晶結(jié) 構(gòu)的SiC納米線陣列，得到的SiC納米線陣列長(zhǎng)度為2(Him左右，直徑較Si 納米線有所增粗，為100 300nm，形貌如圖3所示。圖4為所得到的SiC納 米線陣列的XRD圖，圖中主要峰位都與SiC對(duì)應(yīng)，另外有一個(gè)反應(yīng)原料石墨 的峰位，證明所得到的確為SiC。
實(shí)施例2
1)將用氫氟酸清洗過的單晶硅基片浸泡于硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中 浸泡4分鐘;其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L，氫氟酸的濃度為4.8mol/L;將浸泡過硝酸銀和氫氟酸的混合溶液的單晶硅基 片取出后置于雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中，其中，雙氧水和氫氟酸混 合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為4mmol/L，氫氟酸的濃度為4.8mol/L;在 水浴中進(jìn)行刻蝕，水浴溫度為4CTC，刻蝕時(shí)間為40分鐘，在單晶硅基片表面 沉積有銀離子處，Si會(huì)被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會(huì)被保留下來， 從而在表面刻蝕出垂直定向站立排列的硅納米線陣列；其中硅納米線直徑為 100 200nm，長(zhǎng)約2(Hmi左右。
2)將3g純度為99.99M的石墨粉放入石墨坩堝的底部，并在位于石墨坩 堝中間處的石墨粉表面上放置一片帶有多孔(孔徑為lmm)的石墨片；將步 驟1)得到的表面有硅納米線陣列的單晶硅基片放在石墨片上，然后將石墨坩 堝放入管式爐的中心位置加熱;將管式爐加熱到溫度為125(TC后保溫90分鐘； 在整個(gè)加熱及保溫過程，通入50sccm的Ar作為保護(hù)氣體，管式爐內(nèi)的壓強(qiáng) 為47Pa;待爐溫降到常溫后，取出樣品，在單晶硅基片上面得到了為多晶結(jié) 構(gòu)的SiC納米線陣列，得到的SiC納米線陣列長(zhǎng)度為20miti左右，直徑較Si 納米線有所增粗，為100 300nm，形貌如圖5所示。
實(shí)施例3
1 )將用氫氟酸清洗過的單晶硅基片浸泡于硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中 浸泡5分鐘；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L， 氫氟酸的濃度為4.8mol/L;將浸泡過硝酸銀和氫氟酸的混合溶液的單晶硅基 片取出后置于雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中，其中，雙氧水和氫氟酸混 合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為4mmol/L，氫氟酸的濃度為4.8mol/L;在 水浴中進(jìn)行刻蝕，水浴溫度為4(TC,刻蝕時(shí)間為40分鐘，在單晶硅基片表面 沉積有銀離子處，Si會(huì)被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會(huì)被保留下來， 從而在表面刻蝕出垂直定向站立排列的硅納米線陣列；其中硅納米線直徑為 100 200nm，長(zhǎng)約20nm左右。
2)將5g純度為99.99c/。的石墨粉放入石墨坩堝的底部，并在位于石墨坩 堝中間處的石墨粉表面上放置一片帶有多孔(孔徑為lmm)的石墨片；將步 驟1)得到的表面有硅納米線陣列的單晶硅基片放在石墨片上，然后將石墨坩 堝放入管式爐的中心位置加熱；將管式爐加熱到溫度為130(TC后保溫120分 鐘；在整個(gè)加熱及保溫過程，通入100sccm的Ar作為保護(hù)氣體，管式爐內(nèi)的壓強(qiáng)為70Pa;待爐溫降到常溫后，取出樣品，在單晶硅基片上面得到了為多 晶結(jié)構(gòu)的SiC納米線陣列，得到的SiC納米線陣列長(zhǎng)度為20pm左右，直徑較 Si納米線有所增粗，為100 300nm，形貌如圖6所示。
實(shí)施例4
1 )將用氫氟酸清洗過的單晶硅基片浸泡于硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中 浸泡5分鐘；其中，硝酸銀和氫氟酸的混合溶液中的硝酸銀的濃度為5mmol/L， 氫氟酸的濃度為4.8mol/L;將浸泡過硝酸銀和氫氟酸的混合溶液的單晶硅基 片取出后置于雙氧水和氫氟酸混合的刻蝕溶液中，其中，雙氧水和氫氟酸混 合的刻蝕溶液中的雙氧水的濃度為4mmol/L，氫氟酸的濃度為4.8mol/L;在 水浴中進(jìn)行刻蝕，水浴溫度為4(TC，刻蝕時(shí)間為60分鐘，在單晶硅基片表面 沉積有銀離子處，Si會(huì)被刻蝕下去，而未沉積有銀離子處，Si會(huì)被保留下來， 從而在表面刻蝕出垂直定向站立排列的硅納米線陣列；其中硅納米線直徑為 100 200nm，長(zhǎng)約30拜左右。
2)將5g純度為99.99%的石墨粉放入石墨坩堝的底部，將步驟1)得到 的表面有硅納米線陣列的單晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后將石墨坩堝放 入管式爐的中心位置加熱；將管式爐加熱到溫度為130(TC后保溫120分鐘； 在整個(gè)加熱及保溫過程，通入100sccm的Ar作為保護(hù)氣體，管式爐內(nèi)的壓強(qiáng) 為70Pa;待爐溫降到常溫后，取出樣品，在單晶硅基片上面得到了為多晶結(jié) 構(gòu)的SiC納米線陣列，得到的SiC納米線陣列長(zhǎng)度為3(Him左右，直徑較Si 納米線有所增粗，為100 300nm。
權(quán)利要求
1.一種制備SiC納米線陣列的方法，其特征是將純度為99.99％的石墨粉放入石墨坩堝的底部，并在位于石墨坩堝中間處的石墨粉表面上放置一片帶有多孔的石墨片，將表面有硅納米線陣列的單晶硅基片放在帶有多孔的石墨片上，然后將石墨坩堝放入管式爐的中心；或?qū)⒓兌葹?9.99％的石墨粉放入石墨坩堝的底部，將表面有硅納米線陣列的單晶硅基片直接埋于石墨粉里，然后將石墨坩堝放入管式爐的中心；將管式爐加熱到溫度為1200～1300℃，保溫60～120分鐘；在單晶硅基片上面得到SiC納米線陣列；整個(gè)加熱及保溫過程中通入惰性氣體作為保護(hù)氣體，管式爐內(nèi)的壓強(qiáng)為40～70Pa。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的帶有多孔的石墨片的孔 徑為lmmc
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的通入惰性氣體的流量為 50 100sccm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是:所述的SiC納米線為多晶結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征是所述的SiC納米線的直徑 為100 300nm，長(zhǎng)度為20 30拜。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體納米線陣列的制備技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種制備SiC納米線陣列的方法。本發(fā)明的SiC納米線陣列制備方法包括以下過程用化學(xué)刻蝕的方法在單晶硅基片表面制備硅納米線陣列，將表面有硅納米線陣列的硅基片放置在盛有石墨粉的石墨坩堝中，再將石墨坩堝放入管式爐中加熱，在加熱過程中，通入惰性氣體作為保護(hù)氣，最終得到SiC納米線陣列。本發(fā)明的制備SiC納米線陣列方法簡(jiǎn)單易行，所制備的SiC納米線陣列在場(chǎng)發(fā)射及高溫、高頻、大功率的半導(dǎo)體器件方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C30B29/10GK101613881SQ200910089510
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者佘廣為, 凌世婷, 劉海龍, 師文生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所