一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法技術(shù)

一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，涉及氧化鋅納米柱陣列的生長方法。提供制備氧化鋅的工藝更加簡易和廣泛化的一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法。通過CVD在襯底表面生長單原子層氮化硼薄膜；采用PMMA輔助法，將氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋于目標(biāo)襯底表面；去除PMMA保護(hù)膜；將覆蓋氮化硼薄膜的金屬襯底置入反應(yīng)腔，利用氧化鋅納米柱生長方法，直接生長整齊納米柱陣列。不僅克服現(xiàn)有氧化鋅納米柱陣列生長過程中襯底選擇的局限性，而且成功生長出品質(zhì)優(yōu)良的氧化鋅納米柱陣列，使氧化鋅納米柱陣列的制備和應(yīng)用更趨于簡易化和廣泛化，可在柔性襯底上直接生長，更有利于在微電子器件上的應(yīng)用。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法
本專利技術(shù)涉及氧化鋅納米柱陣列的生長方法，尤其是涉及到在任意襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的技術(shù)。
技術(shù)介紹
隨著微電子器件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，納米技術(shù)將在電子產(chǎn)品領(lǐng)域掀起一場新的變革。以往披著神秘外衣的納米材料逐漸融入人們的生活，應(yīng)用于人們生活的方方面面。其中具有廣闊應(yīng)用前景的氧化鋅納米材料因其優(yōu)良的特性獲得眾多學(xué)者的青睞。氧化鋅是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，它的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優(yōu)異的常溫發(fā)光性能，可應(yīng)用于液晶顯示屏、薄膜晶體管、發(fā)光二極管等眾多電子器件。氧化鋅納米材料的研究始于20世紀(jì)90年代，美國、德國、日本、韓國等已經(jīng)在氧化鋅研究方面做了很多工作。對于氧化鋅納米材料的研究最重要的就是其制備方法。隨著研究的不斷深入，目前已有具備多種制備納米氧化鋅的方法，如：水熱技術(shù)、蒸汽傳輸技術(shù)、溶液方法、有機(jī)化學(xué)氣相淀積、熱蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積等等([1]I.W.Okpashietal.,JournalofNanomedicine&Nanotechnology,06(05)(2015)；[2]L.P.Xuetal.,AcsACSAppl.Mater.Inter.,7(36)(2015),20264-20271)。其中CVD技術(shù)由于其高純度和良好的可控性，表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，是目前生長納米氧化鋅較為成熟的方法([3]Z.Liuetal.,Nat.Nanotechnology,8(2)(2013),119-124)。作為納米級別的氧化鋅材料通常以納米粒、納米柱、納米環(huán)等形式存在。因?yàn)槠浯嬖谛味鄻踊沟梦覀冊谏L大面積、質(zhì)量完好的氧化鋅納米柱陣列時遇到很大困難。最大的一個問題就是生長襯底選擇的局限性。盡管藍(lán)寶石一項(xiàng)被用作氧化鋅薄膜生長的襯底，但它們之間存在較大的晶格失配，從而導(dǎo)致氧化鋅外延層的位錯密度較高，進(jìn)一步使器件性能退化。另外如果僅僅使用同質(zhì)外延，雖然可以實(shí)現(xiàn)無應(yīng)變、低的缺陷密度，但是局限了襯底的選擇性。為了研究和應(yīng)用方便，大多數(shù)晶體外延生長主要依靠異質(zhì)襯底來實(shí)現(xiàn)。因此預(yù)導(dǎo)向?qū)釉谕庋由L中起到至關(guān)重要的作用。在氧化鋅納米柱陣列的生長研究中，一開始在銅襯底上生長氧化鋅納米棒，人們通常用石墨烯作為在銅箔上生長氧化鋅納米棒的緩沖層，這是由于外延生長的氧化鋅納米棒和石墨烯具有特別相似的原子構(gòu)型。基于石墨烯的一些潛在的特性對長在其上面的氧化鋅納米棒的影響，考慮用和石墨烯具有相同結(jié)構(gòu)的h-BN作為緩沖層來生長氧化鋅納米材料。氮化硼具有和石墨烯相同的六角結(jié)構(gòu)，卻比石墨烯表現(xiàn)出更適合做緩沖層的特性。h-BN是寬禁帶的絕緣體，禁帶寬度達(dá)5.9eV，還具有原子級的光滑表面，B原子和N原子以sp2鍵雜化結(jié)合在一起，高透明度、高柔韌度，很容易轉(zhuǎn)移到任何襯底上。這些優(yōu)良的特性使h-BN薄膜在外延生長中成為良好的誘導(dǎo)劑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了克服外延生長氧化鋅時，襯底選擇的局限性，提供制備氧化鋅的工藝更加簡易和廣泛化的一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法。本專利技術(shù)包括以下步驟：1)通過CVD在襯底表面生長單原子層氮化硼薄膜；2)采用PMMA輔助法，將氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋于目標(biāo)襯底表面；3)去除PMMA保護(hù)膜；4)將覆蓋氮化硼薄膜的金屬襯底置入反應(yīng)腔，利用氧化鋅納米柱生長方法，直接生長整齊納米柱陣列。在步驟1)中，所述通過CVD在襯底表面生長單原子層氮化硼薄膜的具體方法可為：對襯底進(jìn)行電化學(xué)拋光預(yù)處理，并放置于CVD反應(yīng)區(qū)，采用Borazane粉末作為反應(yīng)源，放置于CVD源區(qū)，在H2和Ar混合氣體攜帶下進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在襯底表面上單原子層氮化硼薄膜的生長；所述H2可采用4～8sccm，所述Ar可采用10～20sccm；所述反應(yīng)的溫度可為1050℃；所述襯底可采用銅箔襯底。在步驟2)中，所述采用PMMA輔助法，將氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋于目標(biāo)襯底表面的具體方法可為：在六方氮化硼的襯底表面，旋涂上一層PMMA薄膜保護(hù)氮化硼薄膜，然后再利用過硫酸銨溶解掉襯底,接著利用轉(zhuǎn)移工具將PMMA/六方氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋到目標(biāo)襯底上；所述目標(biāo)襯底可選自金屬箔襯底、石英玻璃襯底、PDMS襯底、硅片襯底、PET襯底等中的一種。在步驟3)中，所述去除PMMA保護(hù)膜的具體方法可為：將步驟2)得到的產(chǎn)物放入丙酮溶液浸泡,去除掉樣品表面的PMMA；所述浸泡的步驟可為：用丙酮溶液浸泡10min，更換丙酮溶液，重復(fù)浸泡更換3次后，每24h更換一次丙酮溶液，48h后完全去除PMMA。在步驟4)中，所述將覆蓋氮化硼薄膜的金屬襯底置入反應(yīng)腔，利用氧化鋅納米柱生長方法，直接生長整齊納米柱陣列的具體方法可為：首先給CVD腔中通入氮?dú)猓瑢σr底表面進(jìn)行退火處理，然后加熱鋅粉，再通入氮?dú)夂脱鯕饣旌蠚庾鳛檩d氣，將鋅粉帶到襯底表面，氧氣和鋅蒸氣在襯底表面生成氧化鋅納米棒陣列，冷卻并持續(xù)通入氮?dú)猓赐瓿梢r底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的目的；所述氮?dú)獾牧髁靠蔀?00sccm，所述加熱鋅粉的溫度可為600℃；所述氮?dú)夂脱鯕獾牧髁靠煞謩e為100sccm和8sccm；所述氧氣和鋅蒸氣在襯底表面生成氧化鋅納米棒陣列的時間可為30min；所述冷卻并持續(xù)通入氮?dú)獾臅r間可為120min。氮化硼在垂直氧化鋅納米線生長過程中充當(dāng)預(yù)成核層和預(yù)導(dǎo)向?qū)幼饔茫梢龑?dǎo)氧化鋅納米柱陣列的直接垂直生長。以化學(xué)氣相外延生長方法為例，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間是成功生長垂直對齊的氧化鋅納米線陣列的關(guān)鍵。1g的高純度金屬鋅粉作為源材料，放在中央加熱區(qū)。將覆蓋單層氮化硼的金屬襯底放在原材料下游2cm處。壓強(qiáng)為1000Pa。本專利技術(shù)通過化學(xué)氣相外延方法在銅箔襯底上生長質(zhì)量完好的單層氮化硼薄膜，之后將單層氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移至任意目標(biāo)襯底表面，采用氧化鋅納米柱生長技術(shù)如化學(xué)氣相外延或者水熱法等，成功在非晶、多晶襯底上直接生長整齊氧化鋅納米柱陣列。本專利技術(shù)不僅克服了現(xiàn)有氧化鋅納米柱陣列生長過程中襯底選擇的局限性，而且成功生長出直徑約為118nm，長度為15μm的品質(zhì)優(yōu)良的氧化鋅納米柱陣列，為納米科技的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)材料。本專利技術(shù)使氧化鋅納米柱陣列的制備和應(yīng)用更趨于簡易化和廣泛化，可在柔性襯底上直接生長，更有利于在微電子器件上的應(yīng)用。附圖說明圖1為氧化鋅納米棒在任意目標(biāo)襯底上生長的原理示意圖。圖2為CVD生長對齊的氧化鋅納米柱陣列的示意圖。圖3為SEM圖顯示襯底與鋅粉的距離對氧化鋅納米柱生長的影響。圖4為SEM圖表明溫度對氧化鋅納米柱生長的影響。圖5為ZnO納米柱的側(cè)視的SEM圖。圖6為ZnO納米柱的俯視的SEM圖。圖7為高分辨下的TEM圖和對該區(qū)域的選區(qū)電子衍射圖。圖8為氧化鋅納米柱陣列的XRD能譜。圖9為彎曲的ZnO/h-BN/Cu樣品。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的實(shí)施方式和步驟作具體說明。1、首先，Cu襯底的拋光處理以及單層h-BN的生長。1)將銅箔襯底剪出所有的尺寸，然后放在配好的電解液中，外加電壓4.8V，電流3A，拋光時間2min。取出銅箔，先用過離子水沖洗再用酒精沖洗，氮?dú)獯蹈桑吹帽砻孑^光滑的銅箔襯底。2)用分析天平稱量borazane6g作為源放入前區(qū)反應(yīng)區(qū)，拋光過的銅箔放入后區(qū)反應(yīng)區(qū)，設(shè)置溫度，前區(qū)溫度設(shè)為90℃，反應(yīng)區(qū)溫度設(shè)為1050℃。開始加熱，當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度達(dá)到90本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于包括以下步驟：1)通過CVD在襯底表面生長單原子層氮化硼薄膜；2)采用PMMA輔助法，將氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋于目標(biāo)襯底表面；3)去除PMMA保護(hù)膜；4)將覆蓋氮化硼薄膜的金屬襯底置入反應(yīng)腔，利用氧化鋅納米柱生長方法，直接生長整齊納米柱陣列。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于包括以下步驟：1)通過CVD在襯底表面生長單原子層氮化硼薄膜；2)采用PMMA輔助法，將氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋于目標(biāo)襯底表面；3)去除PMMA保護(hù)膜；4)將覆蓋氮化硼薄膜的金屬襯底置入反應(yīng)腔，利用氧化鋅納米柱生長方法，直接生長整齊納米柱陣列。2.如權(quán)利要求1所述一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于在步驟1)中，所述通過CVD在襯底表面生長單原子層氮化硼薄膜的具體方法為：對襯底進(jìn)行電化學(xué)拋光預(yù)處理，并放置于CVD反應(yīng)區(qū)，采用Borazane粉末作為反應(yīng)源，放置于CVD源區(qū)，在H2和Ar混合氣體攜帶下進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在襯底表面上單原子層氮化硼薄膜的生長。3.如權(quán)利要求2所述一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于所述H2采用4～8sccm，所述Ar采用10～20sccm。4.如權(quán)利要求2所述一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于所述反應(yīng)的溫度為1050℃；所述襯底采用銅箔襯底。5.如權(quán)利要求1所述一種襯底上直接生長氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于在步驟2)中，所述采用PMMA輔助法，將氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋于目標(biāo)襯底表面的具體方法為：在六方氮化硼的襯底表面，旋涂上一層PMMA薄膜保護(hù)氮化硼薄膜，然后再利用過硫酸銨溶解掉襯底,接著利用轉(zhuǎn)移工具將PMMA/六方氮化硼薄膜轉(zhuǎn)移覆蓋到目標(biāo)襯底上。6.如權(quán)利要求5所述一種襯底上直接生...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔡端俊，孫飛鵬，馬吉，
申請(專利權(quán))人：廈門大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：福建,35