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(jiǎn)介VLS生長(zhǎng)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(diǎn)參考文獻(xiàn)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(zhǔn)一維納米材料的一種方法。20世紀(jì)60年代，R.S.Wagner

及其合作者在研究微米級(jí)的單晶硅晶須的生長(zhǎng)過程中首次提出這種生長(zhǎng)機(jī)制。目前，VLS生長(zhǎng)方法被認(rèn)為是制備高產(chǎn)率單晶準(zhǔn)一維納米材料的最有效的途徑之一。什么是VLS？實(shí)現(xiàn)“氣-液-固（VLS）”生長(zhǎng)需要同時(shí)滿足兩個(gè)方面的條件：（1）形成彌散的、納米級(jí)的、具有催化效應(yīng)的低熔點(diǎn)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(duì)應(yīng)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(zhǎng)階段高溫下Si過飽和析出并結(jié)晶納米線軸向生長(zhǎng)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(zhǎng)模型VLS生長(zhǎng)模型力學(xué)平衡表面能StevenM.Roper,StephenH.Daviset.al.,J.Appl.Phys.102,034304(2007)VLS生長(zhǎng)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(zhǎng)過程中夾角θLS，θLV保持不變；

3）生長(zhǎng)過程中不偏離直線方向；

4）Si的擴(kuò)散流F保持恒定；

5）生長(zhǎng)速率v保持恒定。StevenM.Roper,StephenH.Daviset.al.,J.Appl.Phys.102,034304(2007)影響VLS生長(zhǎng)的因素沉積溫度（擴(kuò)散系數(shù)，界面能）催化劑種類（組分濃度，過飽和度）氣體壓強(qiáng)（界面形狀）液滴大?。ㄖ睆剑┑谌糠郑?/p>

Si納米線的制備VLS制備Si納米線實(shí)驗(yàn)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(yīng)3）共溶

Si進(jìn)入合金液滴中，過飽和析出4）生長(zhǎng)

Si沿111方向生長(zhǎng)納米線溫度條件不滿足時(shí)，停止生長(zhǎng)R.S.WagnerandW.C.Ellis,AppliedPhysicsLetters.4,5(1964)有襯底VLS制備Si納米線實(shí)驗(yàn)流程2激光：532nmSi、Fe蒸汽合金納米團(tuán)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(shí)驗(yàn)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(gè)方向長(zhǎng)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(biāo)尺:100nm）B)Si納米線的TEM像與衍射像對(duì)比（標(biāo)尺:10nm）C)高分辨TEM像條件：1200oC，500-torrArflowing@50SCCMPhillipsEM420，120KV實(shí)驗(yàn)結(jié)果AlfredoM.Morales,CharlesM.Lieber,Science.279,5348(1998)VLS制備Si納米線實(shí)驗(yàn)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(diǎn):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(zhǎng)速率Md.ShofiqulIslama,

et.al.,JournalofCrystalGrowth306(2007)276–282.實(shí)驗(yàn)示意圖Md.ShofiqulIslama,

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

SiO2Au抗蝕層催化劑團(tuán)簇對(duì)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A(chǔ)u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(tuán)簇對(duì)納米線直徑的影響右圖分別是催化劑團(tuán)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(biāo)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(tuán)簇（標(biāo)尺:9nm）B)Ge納米線φ＝5.0±0.6nm（標(biāo)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(diǎn)和缺點(diǎn)VLS的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)單晶準(zhǔn)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(diǎn)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(xiàn)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.