用VLS方法制備納米線

VLS方法制備納米線第十三小組成員：王曉純、李晨、蔣浩

朱思昆、劉建軍、鐘國彬2008年1月概要VLS方法簡介VLS生長模型Si納米線制備流程及結(jié)果分析其它納米線制備

(Ge、ZnO……)VLS的優(yōu)缺點參考文獻第一部分：

什么是VLS方法？什么是VLS？“氣-液-固”（Vapor-Liquid-Solid，VLS）法是氣相法合成準一維納米材料的一種方法。20世紀60年代，R.S.Wagner

及其合作者在研究微米級的單晶硅晶須的生長過程中首次提出這種生長機制。目前，VLS生長方法被認為是制備高產(chǎn)率單晶準一維納米材料的最有效的途徑之一。什么是VLS？實現(xiàn)“氣-液-固（VLS）”生長需要同時滿足兩個方面的條件：（1）形成彌散的、納米級的、具有催化效應的低熔點合金液滴，這些合金液滴通常是金屬催化劑和被制備材料之間作用形成的，常用催化劑有Au、Ag、Fe、Ni等；（2）形成一定壓力的蒸氣相，一般為欲制備的納米線材料自身所對應的蒸氣相或組分。陳翌慶,張琨,王兵等,功能材料[J].2004,35:2804-2808VLS過程Si金屬催化劑（Ni、Au、Fe…）共溶階段結(jié)晶階段生長階段高溫下Si過飽和析出并結(jié)晶納米線軸向生長氣相（Vapor）液相（Liquid）固相（Solid）XingYingjie,XiZhonghe,XueZengquan.VacuumScienceandTechnology(China)[J].2002,22:33-35第二部分：

VLS生長模型VLS生長模型力學平衡表面能StevenM.Roper,StephenH.Daviset.al.,J.Appl.Phys.102,034304(2007)VLS生長模型基本假定

1）忽略Si的各向異性，且固液界面非平面；

2）生長過程中夾角θLS，θLV保持不變；

3）生長過程中不偏離直線方向；

4）Si的擴散流F保持恒定；

5）生長速率v保持恒定。StevenM.Roper,StephenH.Daviset.al.,J.Appl.Phys.102,034304(2007)影響VLS生長的因素沉積溫度（擴散系數(shù)，界面能）催化劑種類（組分濃度，過飽和度）氣體壓強（界面形狀）液滴大小（直徑）第三部分：

Si納米線的制備VLS制備Si納米線實驗流程11）制備催化劑液滴將一Au顆粒放置在Si襯底薄片上，加熱到950℃

或者采用Si&Au共沉淀法2）引入H2和SiCl4混合氣，高溫下反應3）共溶

Si進入合金液滴中，過飽和析出4）生長

Si沿111方向生長納米線溫度條件不滿足時，停止生長R.S.WagnerandW.C.Ellis,AppliedPhysicsLetters.4,5(1964)有襯底VLS制備Si納米線實驗流程2激光：532nmSi、Fe蒸汽合金納米團簇納米線融蒸靶材Si1-xFex1200℃過飽和500torr，Ar凝聚Si（V）中止冷端AlfredoM.Morales,CharlesM.Lieber,Science.279,5348(1998)無襯底調(diào)節(jié)納米線半徑實驗及裝置示意圖A.激光融蒸；B.Si和Fe凝聚成液滴；C.Si過飽和并析出；D.Si沿一個方向長成納米線AlfredoM.Morales,CharlesM.Lieber,Science.279,5348(1998)1.激光；2.匯聚透鏡；3.靶；4.控溫爐；5.冷端；6.氣流（Ar）納米線TEM像（標尺:100nm）B)Si納米線的TEM像與衍射像對比（標尺:10nm）C)高分辨TEM像條件：1200oC，500-torrArflowing@50SCCMPhillipsEM420，120KV實驗結(jié)果AlfredoM.Morales,CharlesM.Lieber,Science.279,5348(1998)VLS制備Si納米線實驗流程3p-Si(111)濕式催化氧化SiO2層及抗蝕層:870nm通入O21000℃,4.5h清潔襯底光刻表面圓孔陣列多窗口SiO2掩膜HF(緩沖劑)清洗表面覆蓋Au薄膜:50-200nmAu蒸汽微孔中含有Au圓點:10um高真空GS-MBE爐剝離抗蝕層及表面Au膜退火，700℃微孔中:Au-Si液滴汽源:Si2H6(摻B2H6)p-Si納米線調(diào)節(jié)B-Si比例生長速率Md.ShofiqulIslama,

et.al.,JournalofCrystalGrowth306(2007)276–282.實驗示意圖Md.ShofiqulIslama,

et.al.,JournalofCrystalGrowth306(2007)276–282.

SiO2Au抗蝕層催化劑團簇對納米線直徑的影響Au膜厚度固定:Au直徑與Si納米線直徑關(guān)系Au直徑(孔)度固定:Au膜厚度與Si納米線直徑關(guān)系Md.ShofiqulIslama,

et.al.,JournalofCrystalGrowth306(2007)276–282.催化劑團簇對納米線直徑的影響右圖分別是催化劑團簇（Si、Au合金）直徑為5、10、20、30nm下得到的Si納米線直徑分布（含氧化物包覆層）條件：<100mTorr,440°C,Arflow,SiH4flowfor5~10min@10~80SCCM(%inHe)YiCui,LincolnJ.Lauhon,MarkS.Gudiksen,et.Al.,APRIL.78,15(2001)第四部分：

其它納米線制備

Ge、ZnO、a-Al2O3、SiC、BeO、GaAs……C)B圖像黑色窗口的高分辨TEM像（標尺:1nm）VLS制備Ge納米線AlfredoM.Morales,CharlesM.Lieber,Science.279,5348(1998)A)納米線頂部納米團簇（標尺:9nm）B)Ge納米線φ＝5.0±0.6nm（標尺:5nm）條件：靶材Ge0.9Fe0.1，820℃，300torr，Arflowing@50SCCMVLS制備ZnO納米線—裝置圖PeidongYang,et.al.,Adv.Funct.Mater.,12,5(2002)VLS制備ZnO納米線

PeidongYang,et.al.,Adv.Funct.Mater.,12,5(2002)Si(100)a-plane(110)sapphireVLS制備ZnO納米線Si(100)a-plane(110)sapphire

PeidongYang,et.al.,Adv.Funct.Mater.,12,5(2002)第五部分：

VLS的優(yōu)點和缺點VLS的優(yōu)點和缺點優(yōu)點單晶準直納米線直徑可控方向性可大面積高產(chǎn)率生產(chǎn)納米線陣列缺點純度不夠條件苛刻不一定能找到合適的合金催化劑參考文獻陳翌慶,張琨,王兵等,功能材料[J].2004,35:2804-2808XingYingjie,XiZhonghe,XueZengquan.VacuumScienceandTechnology(China)[J].2002,22:33-35StevenM.Roper,StephenH.Davis,ScottA.Norris,et.al.,J.Appl.Phys.102,034304(2007)R.S.WagnerandW.C.Ellis,AppliedPhysicsLetters.4,5(1964)AlfredoM.Morales,CharlesM.Lieber,Science.279,5348(1998)Md.