本發明涉及半導體納米材料的制備及傳感領域的應用，具體涉及一種高導電晶硅納米線陣列的制備方法及其溫度傳感應用。

背景技術：

1、實時溫度檢測在工業生產、環境檢測、醫療健康、科學研究等眾多領域具有重要意義。雖然各種無機和有機熱敏導電材料（如碳材料、銀納米線膜、離子導電水凝膠等）作為實時溫度監測傳感器的核心部件得到了廣泛的研究。然而，基于這些材料所開發的傳感器件往往存在尺寸較大，溫度系數低、穩定性差等不足，為器件集成和實現高空間分辨率帶來了挑戰。因此，目前的研究集中于開發具有微型分布式傳感器的溫度傳感單元，以實現出色的靈敏度、快速的響應時間以及對溫度變化的穩定、精確的響應。

2、一維晶硅納米線因其尺寸小、表面積與體積比高而具有遠超塊狀材料的電學性能，且與硅基集成工藝相兼容，被視為新一代微型超靈敏傳感器的理想候選材料之一。更重要的是，硅材料的導電性和溫度傳感特性可由摻雜濃度精確控制（solid-stateelectronics?1978,?21(7),?969-974；?nano?research?2019,?12(11),?2723-2728；20116th?ieee?international?conference?on?nano/micro?engineered?and?molecularsystems,?ieee:?2011;?pp?630-633.）。因此，采用“自上而下”刻蝕方式或者“自下而上”的生長方式，同時結合各類摻雜工藝來獲得高導電晶硅納米線已經被用于制備溫度傳感器件。

3、但本申請發明人發現上述技術至少存在如下技術問題：“自上而下”的刻蝕需要借助高精度的光刻設備，成本高昂。同時，該方法制備晶硅納米線依賴于晶硅襯底，無法直接在柔性薄膜襯底上直接制備納米線。另一方面，雖然生長模式制備晶硅納米線不依賴于晶硅襯底，但傳統的“氣-液-固”模式生長的晶硅納米線多是豎直結構，難以與平面器件工藝相兼容。其在應用中不僅需要復雜的轉移工藝，而且難以實現平面上的精確定位。

4、因此，開發一種可精確定位集成的高導電性晶硅納米線陣列對于研發高空間分辨的新型微型溫度傳感器具有重要意義。

技術實現思路

1、本申請針對上述問題，提供一種高導電晶硅納米線陣列的制備方法，包括以下步驟：

2、步驟1、利用光刻和刻蝕在氧化硅片或柔性襯底表面制備引導溝槽，隨后利用光刻和蒸鍍在所述引導溝槽末端制備催化劑金屬條帶；

3、步驟2、在pecvd設備中，利用氫等離子體處理，將催化劑金屬還原成液滴，隨后沉積非晶硅，并在真空中加熱退火生長晶硅納米線陣列；

4、步驟3、利用氫等離子體刻蝕殘余非晶硅，并通過450℃低溫熱退火處理脫氫，獲得高導電晶硅納米線陣列。

5、作為優選，所述步驟1中的襯底為氧化硅片或柔性聚合物薄膜。

6、作為優選，所述步驟1中的引導溝槽為直線形或波浪線形。

7、作為優選，所述步驟2中沉積的非晶硅為本征非晶硅層、p型非晶硅層或n型非晶硅層。

8、本發明還提供一種微型溫度傳感器件，其特征在于,包括制備于氧化硅片或柔性襯底上的晶硅納米線陣列和制備于晶硅納米線陣列兩端的金屬電極，所述晶硅納米線陣列為經過氫等離子體刻蝕及低溫退火處理脫氫處理后的缺陷態晶硅納米線陣列。

9、本發明還提供了一種微型溫度傳感器件的制備方法，其特征在于,包括如下步驟：

10、步驟a、利用光刻和刻蝕在氧化硅片或柔性襯底表面制備引導溝槽，隨后利用光刻和蒸鍍在所述引導溝槽末端制備催化劑金屬條帶；

11、步驟b、在pecvd設備中，利用氫等離子體處理，將催化劑金屬還原成液滴，隨后沉積非晶硅，并在真空中加熱退火生長晶硅納米線陣列；

12、步驟c、利用氫等離子體刻蝕殘余非晶硅，并通過450℃低溫熱退火處理脫氫，獲得高導電晶硅納米線陣列；

13、步驟d、利用光刻和剝離工藝，在所述高導電晶硅納米線陣列的納米線兩端制備金屬電極，獲得可空間分辨的微型溫度傳感單元陣列；

14、步驟e、通過引線鍵合的方式將微型溫度傳感單元陣列連接到測試電路。

15、本發明還提供了上述微型溫度傳感器件的應用，其特征在于：用于可穿戴溫度傳感設備，或環境溫度變化檢測。

16、本申請提供的技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

17、本方法相比傳統的“自上而下”方法，無需高精度光刻設備，且可直接在柔性薄膜襯底上直接制備定向的高密度集成晶硅納米線。

18、本發明制備的高導電晶硅納米線具有優異的電學特性、形貌和位置精確可控、易于集成的特點，且制備溫度低、無需額外摻雜工藝。形成的溫度傳感單元具有尺寸小、靈敏度高、成本低和易大面積集成的優勢。

19、三、本方法相比vls生長方法，可在平面上直接精確定位生長水平納米線，無需復雜的轉移過程。

20、四、本方法通過氫氣刻蝕及退火工藝形成的硅氫鍵斷裂，引入了大量缺陷態，無需額外的摻雜工藝即可實現高導電晶硅納米線。

21、五、本方法制備的可空間分辨溫度傳感器陣列集成密度高，能夠實現溫度的實時檢測以及高空間分辨率。

技術特征：

1.一種高導電晶硅納米線陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的高導電晶硅納米線陣列的制備方法，其特征在于：所述步驟1中的襯底為氧化硅片或柔性聚合物薄膜。

3.根據權利要求1所述的可定位高導電晶硅納米線的制備方法，其特征在于：所述步驟1中的引導溝槽為直線形或波浪線形。

4.根據權利要求1所述的可定位高導電晶硅納米線的制備方法，其特征在于：所述步驟2中沉積的非晶硅為本征非晶硅層、p型非晶硅層或n型非晶硅層。

5.一種如權利要求1-4任一項所述的高導電晶硅納米線陣列的應用，其特征在于，用于微型溫度傳感器件。

6.一種微型溫度傳感器件，其特征在于,包括制備于氧化硅片或柔性襯底上的晶硅納米線陣列和制備于晶硅納米線陣列兩端的金屬電極，所述晶硅納米線陣列為經過氫等離子體刻蝕及低溫退火處理脫氫處理后的缺陷態晶硅納米線陣列。

7.一種微型溫度傳感器件的制備方法，其特征在于,包括如下步驟：

8.一種如權利要求6或7所述的微型溫度傳感器件的應用，其特征在于：用于可穿戴溫度傳感設備，或適用于環境溫度實時檢測和高空間分辨。

技術總結
本發明公開了一種高導電晶硅納米線陣列的制備方法，包括以下步驟：步驟1、利用光刻和刻蝕在氧化硅片或柔性襯底表面制備引導溝槽，隨后利用光刻和蒸鍍在所述引導溝槽末端制備催化劑金屬條帶；步驟2、在PECVD設備中，利用氫等離子體處理，將催化劑金屬還原成液滴，隨后沉積非晶硅，并在真空中加熱退火生長晶硅納米線陣列；步驟3、利用氫等離子體刻蝕殘余非晶硅，并通過450℃低溫熱退火處理脫氫，獲得高導電晶硅納米線陣列。本發明方法制備的高導電晶硅納米線具有優異的電學特性、形貌和位置精確可控、易于集成的特點，且制備溫度低、無需額外摻雜工藝。形成的溫度傳感單元具有尺寸小、靈敏度高、成本低和易大面積集成的優勢。

技術研發人員：余林蔚,廖巍,劉宗光,王軍轉
受保護的技術使用者：南京大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/14