[发明专利]一种在孔洞结构中制作单个纳米材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备领域，尤其涉及一种单个纳米材料的制备方法。

背景技术

单个纳米材料，比如单根纳米管、单根纳米线、单根纳米棒以及单颗纳米颗粒等，由于具有独特的量子尺寸效应，弹道输运效应，以及优越的光电性能，因此，它们在未来的高性能纳米光电子器件，例如：发光二极管、超高分辨的平板显示器、高灵敏度传感器等领域具有潜在的应用前景。为了促进基于单个纳米材料的器件开发，首先要解决的一个问题是实现单个纳米材料及其阵列的定位制备。定位制备单个纳米材料的方法主要包括直接生长法，微尖焊接法和溶液分散法等。其中直接生长法是目前普遍采用的一种技术方法，大多数研究者采用电子束光刻进行纳米催化剂的定位制备，继而实现单个纳米材料及其阵列的生长。但是电子束曝光工艺系统极为昂贵，工艺成本偏高。因此，发展一种简单而通用的方法来制备单个纳米材料，对推动其在纳微光电子领域的应用有着重要的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种在孔洞结构中制作单个纳米材料的方法，其工艺简单，成本低。

本发明的目的是这样实现的：一种在孔洞结构中制作单个纳米材料的方法，其特征在于以下顺序步骤：(a)在基底上刻蚀出孔洞结构；(b)在基底的孔洞底部沉积金属或氧化物薄膜；(c)采用纳米材料生长技术，在孔洞结构中制作单个的纳米材料。

所述步骤a中，首先在基底上沉积一层掩蔽层，然后旋涂一层光刻胶，并采用光刻技术在光刻胶上开孔；使用刻蚀工艺去除未被光刻胶保护的开孔中的掩蔽层，露出基底表面，接着去除光刻胶；对掩蔽层开孔中的基底材料进行刻蚀，在基底上形成孔洞结构，然后去除表层的掩蔽层。

所述步骤b中，首先在样品表层沉积一层金属或者氧化物薄膜，然后在表面沉积上一层薄膜作为牺牲层，该牺牲层薄膜可以是光刻胶，磷硅玻璃(PSG)或者其它材料；采用刻蚀的方法对牺牲层薄膜进行减薄，直到孔洞底部留有小于100nm厚度的牺牲层薄膜，接着去除未被牺牲层薄膜保护的金属或氧化物薄膜，最后去掉牺牲层薄膜，在孔洞底部获得了金属或氧化物薄膜。

所述的基底是金属、半导体或绝缘体，或者是上述两种或两种以上材料组合构成的多层结构材料。

本发明在制作工艺中，先在基底上刻蚀出微小的孔洞，然后将金属或者氧化物薄膜定域沉积在孔洞的底部，在高温退火下形成所需要的单个纳米颗粒，或者在金属或氧化物薄膜的作用(例如催化作用)下采用气相法或液相法生长出单根的一维纳米材料。本方法具有工艺简单、位置可控等优点，通过控制孔洞的位置，可以实现单根纳米材料的定位生长。本发明可大面积阵列式制备，效率高。

附图说明

图1是在硅孔洞底部生长单根碳纳米管的工艺流程示意图；

图2(a)是微孔洞的底部定域沉积单个纳米颗粒的扫描电子显微镜剖面图；

图2(b)是微孔洞的底部定域沉积单个纳米颗粒的扫描电子显微镜俯视图；

图2(c)是微孔洞中生长的单根碳纳米管的扫描电子显微镜俯视图；

图2(d)是微孔洞中生长的单根碳纳米管阵列的扫描电子显微镜俯视图。

具体实施方式

本发明是一种在孔洞结构中制作单个纳米材料的方法，包括以下顺序步骤：

(a)在基底上刻蚀出孔洞结构：首先在基底上沉积一层掩蔽层，然后旋涂一层光刻胶，并采用光刻技术在光刻胶上开孔；使用刻蚀工艺去除未被光刻胶保护的开孔中的掩蔽层，露出基底表面，接着去除光刻胶；对掩蔽层开孔中的基底材料进行刻蚀，在基底上形成孔洞结构，然后去除表层的掩蔽层。基底可以根据需要选用金属、半导体或绝缘体，或者是上述两种或两种以上材料组合构成的多层结构材料。刻蚀采用等离子体刻蚀或者化学溶液刻蚀。

(b)在基底的孔洞底部沉积金属或氧化物薄膜：首先在样品表层沉积一层金属或者氧化物薄膜，然后在表面旋涂上一层光刻胶牺牲层；采用刻蚀的方法对光刻胶进行减薄，直到孔洞底部留有小于100nm厚度的光刻胶，接着去除未被光刻胶保护的金属或氧化物薄膜，最后去掉光刻胶，在孔洞底部获得了金属或氧化物薄膜。较佳的，金属或者氧化物薄膜是铁、钴、镍、金、铜、铝或锌金属，或上述金属的氧化物，或者是上述金属的合金薄膜。光刻胶减薄最好采用氧气等离子体反应刻蚀工艺，通过刻蚀参数控制光刻胶的厚度。

(c)采用纳米材料生长技术，例如在高温退火下形成单个纳米颗粒，或者采用气相法或液相法，在孔洞结构中制作单根纳米线、单根纳米棒或单颗纳米颗粒等纳米材料。