[发明专利]一种基于平面纳米线线形设计和引导的可拉伸晶体半导体纳米线的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及柔性可拉伸电子和器件领域，涉及在衬底上利用沟道引导平面纳米线生长技术，通过微加工工艺，制作形成具有柔性和可拉伸性质的弹簧结构晶体纳米线的制作方法。尤其是沟道引导自定位自定向生长、转移、电学集成的平面半导体纳米线制备的弹簧结构晶体纳米线的方法。

二、技术背景

随着当代电子显示产业的发展，柔性和可拉伸电子器件(尤其是显示器件)因为更易满足实际应用需求以及本身灵活的材料特性，在现代科技、国民经济和日常生活中的方方面面扮演着越来越重要的角色，在该研究领域里，材料的生长制备技术有着重要的地位。

液-液相-固相(SLS)生长机制：SLS生长的机理类似于VLS机制，与VLS机制的区别仅在于，在VLS机制生长过程中，所需的原材料由气相提供；而在SLS机制生长过程中，所需的原料是从溶液中提供的，一般来说，此方法中常用低熔点金属(如In、Sn或Bi等)作为助溶剂(flux droplet)，相当于VLS机制中的催化剂。

硅基材料因为广泛的工业基础，成熟的工艺和半导体制备技术，又由于人体构造的碳基材料属性相似，对人体无害，且纳米级硅材料易降解，将硅基纳米科技和柔性可拉伸电子领域相结合，将取得巨大的效用。

可拉伸晶体纳米线弹簧结构的材料的生长是柔性和可拉伸电子器件的基础，现有技术未有很好的方法去解决。

三、发明内容

针对上述问题，本发明的目的是，提供一种制备高质量可拉伸晶体纳米线弹簧结构的方法。尤其是沿特定引导沟道定向生长、转移和集成方法制备平面半导体纳米线器件。

本发明采取以下技术方案：一种基于平面纳米线线形设计和引导的可拉伸晶体半导体纳米线的制备方法，其特征步骤包括：1)以玻璃、二氧化硅片或者硅片等衬底，对玻璃、二氧化硅片或者硅片等衬底进行标准化清洗，去除表面有机物和金属残余；2)利用光刻技术(或表面图案刻蚀技术)在衬底表面刻蚀一定深度的台阶，此引导台阶的线形可以自由方便地设计和定义；为了实现可拉伸的柔性晶态半导体沟道结构，将台阶线形设计成非直线的弯曲的弹簧或zigzag蛇形沟道形阵列，在衬底上通过光刻刻蚀技术制作出深度约150±10nm(不超过350nm)弹簧形的引导沟道阵列，以及更为空间弛豫的单线连通的分形弯曲二维分布结构等；3)通过平面纳米线引导生长方法，使直径约120±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着所述引导沟道生长，形成纳米线弹簧阵列；即通过光刻lift-off或者掩模板技术，在引导沟道一端蒸镀淀积催化金属薄膜块，作为金属液滴的形成初始点和纳米线的起始位置；4)在PECVD系统中利用氢气等还原性等离子体处理金属薄膜，去除表面的氧化层，并使之形成直径在几十纳米到一个微米之间的纳米金属催化颗粒；5)淀积覆盖一层适当厚度的非晶半导体层作为前驱体介质；6)在真空中或者非氧化性气氛中退火(温度在250℃以上)生长，使得金属液滴开始顺着引导台阶运动，吸收非晶层并沿途淀积出晶态的纳米线结构；7)通过光刻和蒸镀技术在纳米线弹簧阵列的两端处制备电极；8)通过刻蚀液体使得纳米线弹簧和衬底脱离；9)把脱离的弹簧纳米线阵列转移到柔性衬底上，即可制作出可拉伸的纳米线弹簧，可以广泛应用于柔性电子领域。10)柔性纳米线弹簧或相关结构可被转移到柔性可拉伸聚合物衬底上(通过样品表面旋涂一层薄膜，并配合牺牲层腐蚀转移，以及直接利用纳米机械手选择操纵)。

步骤(1)中其特征所述衬底可为硅片、玻璃、陶瓷片以及可耐高温到350℃的聚合物衬底。所述二氧化硅衬底为普通二氧化硅衬底，厚度大于250nm。硅片还可为表面覆盖二氧化硅或者氮化硅等介质层的P型或者N型单晶或者多晶硅片，玻璃为普通玻璃或者石英玻璃，聚合物可为能承受一定高温(>350℃)处理，与真空环境相兼容的柔性聚合物。所述的弹簧结构晶体纳米线的制备方法，其特征所述二氧化硅衬底为普通二氧化硅衬底，厚度大于250nm。

步骤3)中，再次使用光刻对准技术在沟道的位置上催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径约130±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着所述引导沟道生长，形成弹簧形状的纳米线；蒸镀In,Sn金属，在于引导沟道特定位置形成几十纳米的金属膜图案；在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在350℃、功率2-5W时进行处理，使金属膜缩球形成直径在几百纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；再次使用PECVD系统覆盖一层适当厚度的非晶硅(几纳米到几百纳米)的非晶硅作为前驱体介质层；在真空氛围下，350℃环境中退火，利用IP-SLS生长模式，使得纳米线从催化剂区域沿着引导沟道生长，形成并获得弹簧结构的纳米线。