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《si纳米线的固_液_固可控生长及其形成机理分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第59卷第2期2010年2月物理学报Vo.l59,No.2,February,20101000-3290/2010/59(02)/1169-06ACTAPHYSICASINICAn2010Chin.Phys.Soc.*Si纳米线的固-液-固可控生长及其形成机理分析1)2)1)1)1)彭英才范志东白振华马蕾1)(河北大学电子信息工程学院,保定071002)2)(中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京100083)(2009年2月25日收到;2009年6月8日收到修改稿)以Au膜作为金属催化剂,直接从n-(111)
2、Si单晶衬底上制备了直径为30)60nm和长度从几微米到几十微米的高质量Si纳米线.实验研究了Au膜层厚、退火温度、N2气流量和生长时间对Si纳米线形成的影响.结果表明,通过合理选择和优化组合上述各种工艺条件,可以实现直径、长度、形状和取向可控的纳米线生长.基于固-液-固生长机理,定性阐述了Si纳米线的形成过程.关键词:Si纳米线,Au-Si液滴合金,固-液-固生长,结构表征PACC:6140M,6860,6865,8130的四种生长机理中,气-液-固生长在Si纳米线的合11引言成中占据着主导地位.然而,固-液-固生长因具有
3、制备方法简单、纳米线产量大,并可以实现高质量Si近年来,Si纳米线及其阵列的制备方法、结构纳米线生长等优点,同样也显示出它在Si纳米线制表征、光电性质及其新型器件应用的研究,已成为Si备中的潜在应用.[10]基纳米材料科学与技术领域中一个新的热点课题.2001年,Yu等在重掺杂的n-Si(111)单晶衬人们之所以对Si纳米线的研究广泛关注,是由于这底上制备了非晶Si纳米线,并基于固-液-固机理对种准一维纳米结构具有许多显著不同于其他低维半Si纳米线的生长过程进行了合理解释.2005年,[11]导体材料的电学、光学、磁学以及力
4、学等新颖物理性Wong等在p-Si(100)单晶衬底上也利用固-液-质,从而使其在场发射器件、单电子存储器件、高效固生长机理实现了对Si纳米线的可控生长,其长度[12]率激光器、纳米传感器以及高转换效率太阳电池等可达数百微米.与此同时,Huang等以金属Ni为[1]光电子器件中具有重要的实际应用.迄今,人们催化剂,并基于固-液-固生长机理直接从n-Si(100)已采用化学气相沉积(CVD)、激光烧蚀沉积单晶衬底上制备了平均直径为~20nm和长度为(LAD)、热蒸发和电子束蒸发(EBE)等物理和化学~10Lm的高质量Si纳米线
5、,并研究了其场发射特[13]合成方法制备了具有不同直径、长度和形状各异的性.其后,Chang等采用Fe作为金属催化剂,获高质量Si纳米线,并利用各种表征技术对其结构特得了单晶Si纳米线的超快速生长.他们认为,固-液-[2)5]征进行了检测分析.固生长机理在Si纳米线的合成中占据着主导地位.[14]但是Si纳米线是如何形成的,及怎样才能实现最近,Bahloul等则从原子的表面热力学过程角直径、长度、形状和取向可控的Si纳米线生长,这些度出发,详细研究了固-液-固生长的微观机理,这对问题不仅涉及采用什么制备方法,同时也涉及基于于
6、人们进一步深化对Si纳米线生长过程的认识大何种生长机理,影响它在新型器件中的实际应用.因有裨益.而,研究Si纳米线的生长机理就显得十分重要.目本工作以Au膜为催化剂,并基于固-液-固生长前,已提出了气-液-固生长、气-固-固生长、固-液-固机理,直接从n-Si(111)单晶衬底上制备出了高质量[6)9]生长以及氧化物辅助生长等几种模型.在上述的Si纳米线.实验研究了Au膜厚度、退火温度、N2*河北省自然科学基金(批准号:E2008000626)和中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室基金(批准号:KLSMS05-03
7、)资助的课题.E-mai:lycpeng2002@163.com1170物理学报59卷气流量和生长时间等工艺参数对Si纳米线生长的性.图1(a),(b)和(c)是当退火温度为1000e,N2影响,并对其生长机理进行了定性分析.流量为115L/min,生长时间为60min和Au膜厚度分别为5,10和15nm时所形成Si纳米线的SEM21实验方法像.可以看出,当Au膜厚度为5nm时,Si片表面仅有少量的Si纳米线出现,而且直径不均匀,长度亦实验采用电阻率为111)1158#cm的n-Si较短.在Si片表面上仍有大量的Au-Si液
8、合金存在,(111)单晶片作为衬底.首先采用2%的HF溶液并未形成Si纳米线;当Au膜厚度增加到10nm时,(HFBH2O=1B50)对Si片清洗3min,以去除表面的有规律分布且直径均匀的呈弯曲形Si纳米线开始自然氧化层,然后利用常规的清洗方法对Si片表面形成,此时已基本看不到Si片表面
