[发明专利]在金属衬底上定向生长一维无机纳米线阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一维无机纳米材料阵列的制备方法，更具体而言，本发明涉及一步法在金属衬底上定向生长一维无机纳米线阵列的方法。

背景技术

最近几年，由于半导体纳米结构阵列在功能纳米电子学器件、逻辑门以及生物传感方面存在着潜在的重要应用，使其制备研究工作得到了广泛的重视。目前半导体(硅)纳米线阵列的制备存在着几种重要的方法：LB自组装法、催化剂定点生长法及金属催化化学刻蚀法。虽然他们各自具有自身的优势，但也具有局限性。LB自组装法无法使参差不齐的竖直纳米线形成阵列；催化剂定点生长法也因受到生长体系内载运气体对流扰动的影响而容易产生倒伏，不易大面积生长制备，并且该生长法不容易在金属表面实现；金属催化化学刻蚀技术由于所需要的晶原半导体(硅)价格昂贵，且所得到的纳米线表面缺陷多，并且不很光滑，不利于表面性质的研究和利用。因此，如何大面积、经济有效地制备可达到实际应用的半导体(硅)纳米线阵列成为研究者努力的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属衬底上大面积制备一维无机纳米线阵列的方法。

本发明所提供的制备一维无机纳米线阵列的方法，包括如下步骤：

1)将制备所述一维无机纳米线阵列的前驱体置于容器中，并将其放入真空管式炉的高温区；取金属衬底置于容器中，并将所述容器放入所述真空管式炉的低温区，所述金属衬底距离高温区10-20cm；使所述真空管式炉的炉腔内呈无氧状态，然后用非氧化性保护气体将所述炉腔内的压强充至1x10³Pa，密封所述真空管式炉；所述高温区的温度为1300度-1400度，所述低温区的温度为600-1000度；

2)开启加热装置，以10℃/分钟-20℃/分钟的升温速率，将所述真空管式炉的高温区加热至所述前驱物的蒸发温度，维持所述蒸发温度30分钟-300分钟，停止加热，冷却至室温，然后向所述炉腔内通入非氧化性气体至一个大气压，打开炉腔，在所述金属衬底上得到了竖直生长的一维无机纳米线阵列；

其中，所述金属衬底的熔点不高于600度，沸点不低于所述前驱体的蒸发温度；且所述金属衬底为所述前驱体生成所述一维无机纳米线阵列的催化剂。

所述金属衬底初始状态可以金属粉末或金属块体的形式存在，在纳米结构生长条件下，所述金属衬底以液态的形式存在。

步骤2中，向所述炉腔内通入非氧化性气体至一个大气压时，为了防止突然涌入的强大气流破坏无机纳米阵列结构，所通入的非氧化性气体的流量不高于400sccm。

制备所述一维无机纳米线阵列的前驱体为能够用于化学气相沉积法的原料。

本发明步骤1)中使所述真空管式炉的炉腔内呈无氧状态的方法具体如下：抽气体至所述炉腔内压强低于1x10³Pa后，向炉腔内通入非氧化性保护气体至所述炉腔内的压强为4x10⁴Pa-6x10⁴Pa，再抽气体至炉腔内压强低于1x10³Pa，如此反复3次使炉腔内为无氧状态。

本发明中所述高温区的温度优选为1360度。

所用的非氧化性气体具体可为氮气、氩气或氩氢(体积比95∶5)混合气体等。

满足本发明的金属衬底具体可为：锡粉(熔点231.89度，沸点2260度)，铟粉(熔点156.61度，沸点2080度)等。步骤1)中所述容器均为瓷舟。

本发明所提供的一维无机纳米线阵列具体可为SiO₂纳米线阵列、Si纳米线阵列等。当制备SiO₂纳米线阵列或Si纳米线阵列时，均可采用SiO作为前驱物，锡粉作为衬底，通过在制备过程中调控前驱物的加入量、前驱物与衬底距离、以及热处理的时间，得到SiO₂纳米线阵列或Si纳米线阵列。

本发明将化学气相沉积法(CVD)、LB自组装技术和催化剂定点催化生长技术结合起来，一步大面积生成了一维无机纳米线阵列。首先利用CVD制备材料的方法，在纳米材料生长的位置选择熔点合适的且可作为纳米结构催化剂的金属块体或金属粉末作为衬底，此衬底在纳米结构生长条件下(温度压力)保持为液态。然后，结合LB自组装技术和催化剂定点催化生长技术，使所得的前驱物在衬底的位置被具有催化剂功能的衬底催化形成一维纳米结构，同时又在“拥挤效应”的作用下、在具有流体性质的衬底上进行LB的自组装，最终形成无机一维纳米结构竖直生长在金属衬底上的结构。