專利名稱：一種直徑可調的硅量子線陣列的制備方法
技術領域：
本發明屬納米發光材料制備技術領域，具體為一種制備直徑可調的硅量子線陣列的新方法。
背景技術：
量子線是指線橫截面直徑接近或小于某一特定尺寸(稱為波爾半徑)的固體直線，也稱為量子棒。量子線具有比同材料塊狀固體較大的能級禁帶寬度，且直徑越小，禁帶寬度越大。這就是所謂的量子限制效應。不同材料具有不同的波爾半徑。例如硅的波爾半徑為～5納米。當量子線橫截面直徑大于波爾半徑～1-2倍時，仍會有量子限制效應，稱為弱限制效應。當等于或小于波爾半徑時，量子線具有強限制效應。利用量子限制效應，不但可以大幅增強固體材料的發光強度，還可以調節它的發光波長。當前微電子產業的主流材料是硅。如何在現有硅技術基礎上實現光電子的集成，其關鍵是實現硅發光。但由于硅具有間接帶隙結構，它的發光效率極低。利用納米技術，并基于量子限制效應，可以改善硅的電子結構，大幅提升它的發光強度。
硅量子線陣列具有強發光特性。目前硅量子線的制備主要采用分子束蒸發法和模板法。前者硅量子線密度小，排列雜亂；而后者由于工藝限制，硅量子線橫截面直徑最小也有幾十納米，因此不是真正的硅量子線。

發明內容
本發明的目的在于提出一種制備直徑可調的硅量子線陣列的新方法。該方法所需設備和工藝簡便易行，可在硅基片上制備橫截面直徑10納米以下的、直徑尺寸可控的、密集的硅量子線陣列。
本發明提出的在硅基片上制備硅量子線陣列的方法，以離子束輻射在硅片表面形成的致密有序的量子點陣列作為模板，再結合電化學腐蝕手段。具體步驟如下1)利用氬離子束設備(如圖1所示)對硅片表面進行輻射，生成致密有序的硅量子點陣。量子點尺寸可以通過調節離子束參數來實現變化，最終的量子點大小可控范圍為1nm～70nm不等，離子束得參數主要利用束流密度為1μA/cm2～800μA/cm2予以控制。一般可按不同的束流密度進行1-3次輻射。本步驟利用常規的離子束濺射系統可以達到同樣的效果。
2)將表面(硅片正面)具有硅量子點陣的硅片放入真空蒸鍍系統，在硅片背面蒸鍍鋁電極，真空度需要小于2.0×10-3Pa。
3)將以上硅片放入電化學腐蝕系統(如圖2所示)，使硅片正面接觸電化學腐蝕液，蒸鍍有鋁電極的背面接電源的電極?？刂聘g條件如電流1mA～100mA，腐蝕時間1s～1hour，以最終生成硅量子線陣列，其平均直徑由作為模板的硅量子點直徑決定。本步驟也可利用其他常規的電化學腐蝕系統，達到同樣的效果。
本發明中，采用氬離子正入射(垂直于硅表面)樣品表面，使得產生自組織致密有序的硅量子點陣列。
本發明中，硅片為摻雜的n型硅。
本發明中，電化學腐蝕液為氫氟酸、乙醇和去離子水的混合液，氫氟酸重量濃度為1％-40％，腐蝕用電源為脈沖電源。腐蝕槽為聚四氟乙烯。腐蝕液中電極為呈環形的鉑絲。
本發明原理如下1、本發明利用我們發展的自組織量子點制備技術，即離子束濺射刻蝕法，在硅表面形成致密有序量子點陣(M.Lu，X.J.Yang，S.S.Perry，and J.W.Rabalais，Applied Physice Letters 80，2096-2098(2002)；Li Ling，Wei-qing Li，Le-jun Qi，Ming Lu，Xinju Yang，and Chang-xin Gu，Physical Review B71，155329(2005)；Wen-bin Fan，Le-jun Qi，Hai-tong Sun，You-yuan Zhao andMing Lu，Nanotechnology 17，1878-1883(2006))。
2、我們進一步發現所形成的硅量子點陣和硅襯底具有不同的電學特性(Hai-Tong Sun，Zheng-Hao Li，Jing Zhou，You-Yuan Zhao and Ming Lu，Applied Surface Science in press，availableonline 18 January 2007)，由此它們具有不同的電化學腐蝕性質。這些硅量子點陣可以作為產生硅量子線陣的模板。
3、根據空穴原理(V.Lehmann，U.Goesele，Applied Physics Letters 58，856(1991))，n型硅在電壓反向偏置情況下，表面凹陷部分的電化學腐蝕速率遠大于其它部分，腐蝕呈縱向發展。結合原理2，將形成硅量子線陣。


圖1為產生硅量子點陣列的設備圖示。
圖2為電化學腐蝕，即最終產生硅量子線陣的設備圖示。
圖中標號圖1為五維調節架，2為法拉第杯，3為樣品，4為離子槍，5為偏壓加熱裝置，6為進樣室，7為渦輪分子泵，8為腐蝕槽，9為鉑金絲，10為螺絲，11為預處理好的Si樣品，12為電路開關，13為可調電壓的脈沖電源，14為腐蝕溶液。
具體實施例方式
使用的離子束設備如圖1所示，其中，五維調節架1通過調節樣品3朝向來改變離子束入射的角度和方向；法拉第杯2用于測量入射離子束束流密度的大??；系統中安裝了兩把離子槍4分別適應不同束流密度的需要，小束流的為Perkin-Elmer公司04-303型離子槍，大束流的則為國產的普通Kaufman離子槍；偏壓加熱裝置5用于產生一定能量的電子束轟擊樣品背面，來提高樣品制備時的表面溫度；每次樣品進入真空腔之前，先進入進樣室6，并將進樣室抽至粗真空，然后再將樣品3從進樣室6推入真空腔的樣品架上，出樣即為相反過程。這樣可以很大程度上減小每次進樣或出樣過程對真空腔中超高真空狀態的破壞；渦輪分子泵7使真空室中真空度保持在2.0×10-6Pa。濺射時若采用小束流離子強，則真空度為1.5×10-5Pa為宜；若采用大束流離子搶濺射，則真空度為2.5×10-2Pa為宜。
電化學腐蝕系統采用圖2所示的裝置。其上半部分為聚四氟乙烯腐蝕槽8，底部開有腐蝕液窗口，底座為銅電極，上面放置樣品，上下由螺絲固定。鉑金絲9為腐蝕溶液的電極，螺絲10用來固定腐蝕槽8和銅電極，以便固定銅片上放置的樣品。預處理好的Si樣品11，放在腐蝕槽的銅電極上方，電路開關12控制電源，電源采用可調電壓的脈沖電源13。
下面通過一個實施例進一步描述本發明。
1)先后利用H2O2∶H2SO4＝1∶1、乙醇和丙酮溶液對Si片進行清洗。
2)將n型Si(100)放入離子束濺射系統的真空室，用離子能量為1.2-1.5keV，束流密度為600-800μA/cm2的氬離子垂直轟擊Si表面，形成Si量子點陣列，點平均直徑為～50nm。
3)進一步用離子能量為0.5-1keV，束流密度為15-30μA/cm2的氬離子垂直轟擊Si表面，可修飾Si量子點陣列的點平均直徑(Wen-bin Fan，Le-jun Qi，Hai-tong Sun，You-yuanZhao and Ming Lu，Nanotechnology 17，1878-1883(2006))，使其小于10nm。
4)將該Si片取出離子束濺射系統，放入真空度＜2.0×10-3Pa的蒸鍍系統，在其背面蒸鍍Al電極。
5)將鍍好Al電極且具有表面Si量子點陣列的n型Si片放入腐蝕系統的腐蝕槽內，進行腐蝕，腐蝕條件為電流10mA-30mA，時間5min-10min，腐蝕溶液HF(40％濃度)∶乙醇∶H2O＝1∶1∶2最終形成Si量子線陣列。
權利要求
1.一種直徑可調的硅量子線陣列的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)利用氬離子束設備對硅片表面進行輻射，控制離子束流密度為1μA/cm2～800μA/cm2，用不同的束流密度輻射1-3次，生成致密有序的硅量子點陣，量子點大小可控范圍為1nm～70nm；(2)將表面具有硅量子點陣的硅片放入真空蒸鍍系統，在硅片背面蒸鍍鋁電極，真空度需要小于2.0×10-3Pa。(3)將經上述處理的硅片放入電化學腐蝕系統，使硅片正面接觸電化學腐蝕液，蒸鍍有鋁電極的背面接電源的電極?？刂聘g條件如電流1mA～100mA，腐蝕時間1s～1hour，最終生成硅量子線陣列。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述電化學腐蝕液為氫氟酸、乙醇和去離子水的混合液，氫氟酸重量濃度為1％-40％。
全文摘要
本發明屬于納米發光材料制備技術領域，具體為一種直徑可調的硅量子線陣列的制備方法。其步驟包括利用離子束設備在硅片表面進行輻射，生成致密有序的硅量子共陣列，然后在真空蒸鍍系統中蒸鍍鋁電極；在電化學腐蝕系統中在硅片背面蒸鍍連接電源的電極，并最終生成硅量子線陣列。本發明方法簡便易行，量子線陣列的直徑可控。
文檔編號B82B3/00GK101055910SQ20071004049
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月10日 優先權日2007年5月10日
發明者孫海彤, 李政皓, 陸明 申請人:復旦大學