[发明专利]一种制备纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用挥发性气源为原料,基于电子束诱导沉积原理加工制备纳米线的方法,尤其涉及一种使用利用宽束电子束制备小尺寸纳米线的方法,属于先进半导体材料制备的技术领域。

背景技术

近年来，随着科研的深入，纳米线材料越来越多的应用到了电子器件制造，高性能材料，日常消费品等领域。特别的，在先进半导体电子器件制造领域，纳米线可以用于制造小尺寸的半导体材料以获得优良的器件性能。而在使用纳米线构建半导体电子器件时通常需要纳米线能够位于确定的位置以实现电连接或者某种功能特性。此时，最好是能有一种能在指定位置直接制备纳米线的手段。这一手段最好是能良好的定位，并能实现对纳米线直径，长度，形状等特性的控制。目前，能够实现这一功能的最有效的方法之一是电子束诱导沉积(EBID)制备纳米线结构的方法。利用电子束诱导沉积制备纳米线的基本原理是在低压强环境下利用高能电子束使得吸附于衬底表面的有机分子分解，其中分子中的碳或者金属元素以固体的形式淀积在衬底表面，而非碳元素成分则形成挥发相被带走。一般认为，使用电子束诱导沉积制备的纳米线的线宽直接与电子束的束斑大小相关。由于电子束与物质相互作用的弥散效应，所获得的纳米线的线宽一般要大于电子束束斑的直径。为此，为了获得小线宽的纳米线，必须使用束斑更小的电子束。目前，使用较好的仪器设备，电子束的束斑可能被缩小至亚纳米量级的水平。但是由于电子与材料表面作用所产生的弥散效应所获得线宽一般在十纳米的量级。而且，要获得这一线宽，所配套的电子束汇聚系统需要花费巨大的成本。

目前状况下，在大多数应用场合，数十纳米的线宽是可以接受的，但是仍然需要纳米量级的束斑直径，其成本仍然较高。因为可能达到的电子束束斑的大小直接决定了电子光学系统的成本，因此，寻找一种在大束斑条件下制备小线宽的方法必然极大的降低成本，极大的方面相关方向的发展。

如前所述，基于常规的原理，由于电子束与材料作用产生的弥散效应，纳米线的线宽必然要大于所使用的电子束的直径。要使用大束斑的电子束制备小尺寸的纳米线似乎是不可能的。而这一原理似乎也限制了将电子束诱导沉积制备小尺寸纳米线的方法应用于低成本的纳米线结构制备方面。本发明通过实验分析，证实了使用大束斑的电子束制备小尺寸的纳米线的可行性。这一方法基于新的电子束诱导沉积机理，可以极大的降低相关方面的成本，有利于相关产业的发展。

发明内容

发明目的：本发明提出一种使用有机物气体或者金属化合物作为气源为原料，使用宽束电子束，基于电子束诱导沉积原理加工制备小尺寸纳米线的方法。利用宽束电子束束斑内强度分布的梯度效应以及其边缘效应，通过控制电子束位置的方法，实现纳米线材料在制定位置进行制定长度和直径的直接读写方式的制备。

本发明的技术方案是：一种制备纳米线的方法，具体步骤如下:

(1)将需要生长纳米线的衬底放入真空室，抽真空，控制真空室压强在10^-3-10^-6Pa，通入气源，控制通入气源后真空室内压强为10^-1-10^-4Pa；

(2)待气源稳定后开启电子束，调节电子束的聚焦状态，使得电子束在束斑直径内，电子束的平均强度大于10²e/nm²/s；并调节电子束边缘的强度分布状况，使强度沿着边缘具有不均匀分布，即其自束斑边缘沿着束斑直径方向的空间变化率大于10²e/nm²/s/100nm；电子束束斑的直径大小为所需制备的纳米线直径的2-1000倍；

(3)将电子束的束斑边缘置于需要生长纳米线材料的衬底位置，所述衬底位置与束斑边缘之间点接触，且接触点在接触之后即刻生长出纳米结构，之后以一定的速度相对衬底移动电子束，移动过程中，通过控制其移动速度和聚焦位置使电子束束斑的边缘始终位于新生长出的纳米结构的尖端，形成纳米线；也即保持纳米线的生长顶端随着电子束的边缘延伸；电子束相对衬底移动的速度即为纳米线生长的速度；

所述电子束相对衬底移动的速度v的判定方法如下：

通过实验获得步骤(1)中气源在步骤(2)所述电子束下的淀积速率z，纳米线的直径D与电子束相对衬底移动速度v线性相关：其中，L为纳米线在t时间内长出的长度，其和电子束相对衬底移动速度v的关系为v＝L/t，所以即在淀积速率z和需制备的纳米线直径D一定的情况下，可得到电子束移动速度v；

(4)结束纳米线的生长后关闭电子束，获得所需制备的纳米线结构。