CN103626123A

CN103626123A - 采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法

Info

Publication number: CN103626123A
Application number: CN201310521111.2A
Authority: CN
Inventors: 许可; 刘剑; 侯静
Original assignee: Shenyang Jianzhu University
Current assignee: Shenyang Jianzhu University
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-03-12

Abstract

一种采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法属纳米操作领域。按照如下步骤进行：（1）制备分散混合溶液；（2）采用超声波辅助分散；（3）浮动电势介电泳装配ZnO纳米线：将电场所需的交变电压信号通过探针分别施加在浮动电势微电极芯片的源极和背栅极，采用微量移液器取1~2mL分散后的上述氧化锌纳米线样品溶液，滴定到浮动电势微电极；对该电极施加正弦交流信号，其频率为1~2MH_z，峰峰值电压为8~10V_p-p，浮动电势介电泳持续时间为3~8s；（4）后处理：将浮动电势介电泳过的电极芯片在去离子水中进行漂洗，真空干燥箱105℃加热30min，退火得到ZnO基纳米器件。本发明采用浮动电势介电泳技术，解决了ZnO基纳米器件有效装配效率低、难于规模化装配的难题。

Description

采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法

技术领域

本发明涉及纳米操作领域，具体地说是一种采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法。

背景技术

氧化锌（Znic Oxide，缩写ZnO）纳米线拥有半导体、光电、压电、气敏、透明导电和对人体无害等诸多优良特性，是一种重要的宽禁带半导体功能材料。近年来，随着高质量ZnO晶体生长技术的突破， ZnO材料、器件及应用研究已成为新的热点。作为多学科交叉融合的集中体现，ZnO基纳电子器件不仅具有重要的科学研究价值，而且在疾病诊断、环境监测、药剂食品监测等领域具有潜在的应用前景，对未来知识经济的发展具有重要的推动作用。其研究内容涉及到物理学、化学、材料科学、自动化控制科学、信息科学以及生命科学等诸多领域，也是纳米技术规模化、商业化应用的关键技术之一。

目前，ZnO基纳米器件制作技术基本上仍处于实验室阶段，现有装配制造技术还无法实现规模化、低成本制造，这种技术现状仍然是制约纳米器件研究和应用所面临的挑战性问题。常规装配方法是将外加电场直接加微电极结构的源和漏电极上，但在大规模装配制造中，由于器件尺寸小，电极阵列密度高，因而众多的分离电极引线会因制造工艺限制而难以实现批量化、规模化制造是纳米器件的发展趋势。利用浮动电势介电泳方法，实现ZnO纳米线与微电极的规模化装配，对纳米器件批量化、规模化制造技术发展具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法。

本发明采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法，按照如下步骤进行：

（1）制备分散混合溶液：将ZnO纳米线与纯度为99.9%以上的酒精混合，酒精与ZnO纳米线的质量比为（1000～1100）：1；

（2）采用超声波辅助分散：将ZnO纳米线与酒精混合溶液放入试管中，并放入超声波振荡器中在30~45℃超声10~15分钟，而后取出静止1小时后得到均匀半透明溶液；

（3）浮动电势介电泳装配ZnO纳米线：将电场所需的交变电压信号通过探针分别施加在浮动电势微电极芯片的源极和背栅极，采用微量移液器取1~2μL分散后的上述氧化锌纳米线样品溶液，滴定到浮动电势微电极；对该电极施加正弦交流信号，其频率为1~2MH_z，峰峰值电压为8~10V_p-p，浮动电势介电泳持续时间为3~8s；

（4）后处理：将浮动电势介电泳过的电极芯片在去离子水中进行漂洗，漂洗时间约为15~20s；然后把电极芯片放到真空干燥箱里加热到105℃，时间为30min，进行退火处理；得到ZnO基纳米器件。

所述浮动电势微电极芯片由源极、漏极、背棚极、重掺杂硅基层、二氧化硅氧化层组成。二氧化硅氧化层厚度为300nm，漏极面积为20~100μm²，源极与漏极间隙为1μm。

当采用传统介电泳装配纳电子器件时，需要将交变电场施加在基片上源极与漏极之间，每次装配只能制造单个或者少数个纳电子器件，不适合产业化生产。而当采用浮动电势介电泳时，交变电场施加在源极与栅极之间（漏极不加电压也不接地，为浮动极），利用漏极（浮动极）与栅极之间的电容耦合形成源极与漏极之间的浮动电势。

定义漏极与栅极之间的阻抗Z_GD为：

（1）

其中，ω_GS为栅极与源极之间交变电场的频率，而C_GD为栅极与漏极之间的电容。

当交变电场的频率ω_GS变高时（如近MHz），漏极与栅极之间的阻抗Z_GD很小，使得极间电容耦合导致的漏极V_D与栅极V_G间电势差很小（即漏极随着栅极而变化“浮动”），从而该浮动漏极电势V_D与施加在源极上的激励电势V_S构成交变电场，形成与常规介电泳相似的效果。

经极间电容耦合形成的交变电场与栅极、漏极间距离和漏极面积有关。从式（1）可以看出，阻抗Z_GD与交变电场频率ω_GS和电容有关。电场频率越高，阻抗Z_GD越小，因而在高频电场作用时，电容C_GD可以很小。电容C_GD可描述为：

Figure DEST_PATH_894098DEST_PATH_IMAGE002

（2）

其中，

Figure DEST_PATH_323943DEST_PATH_IMAGE003

为与基片材料相关的介电常数，而A_D为漏极面积，t_sio2为SiO₂氧化层厚度(重掺杂硅片相当于导体而不计入间距厚度）；所以在极间距很小时，漏极面积可以减小，从而达到提高器件集成度的目的。

目前微电极加工工艺可以达到μm²的制作水平。实验表明，在制作的漏极面积为20μm²左右（微加工工艺较容易制作）、氧化层SiO₂厚度约200nm时，当施加的交变电场频率约为1MHz时，阻抗Z_GD可以足够小，使得经漏栅极间电容耦合产生的浮动电势能产生有效的介电泳效果。此时一对源漏电极所占面积平均小于100μm²，理论上集成度仍然可以超过10⁶个/ cm²，即每平方厘米达到百万量级，这与目前超大规模集成电路芯片（VLSI）的集成度基本接近。

在装配过程时，将酒精分析纯溶液与ZnO纳米线混合，经超声振荡和脉冲后，实现ZnO有效分散，即完成预处理。再利用浮动电势介电泳技术实现对ZnO在微电极上的有效可控装配。

在利用浮动电势介电泳装配ZnO纳米线过程中，电场所需的交变电压信号及频率通过探针分别施加在微电极的源极和栅极，电泳参数如电压、频率、持续时间等都可根据实验情况来调节与监控。

本发明采用原理在一定频率的空间非均匀电场作用下，ZnO纳米线会被极化而两端出现大小相等但符号相反的电荷，形成偶极子，由于两极所在位置的电场强度不同，造成粒子两端的受力不相等，从而在正电场力的作用下沿着电场强度增大的方向迁移。

本发明具有如下优点：本发明采用浮动电势介电泳技术，解决了ZnO基纳米器件有效装配效率低、难于规模化装配的难题，具有不破坏ZnO纳米线本身物理、化学性质的特点，根据ZnO纳米线独特的物理化学特性，可测出各种力的微小变化；采用浮动电势介电泳方法具有很高的可操作性与可重复性，为ZnO纳电子器件的制造提供了新的可行技术途径。

附图说明

图1为本发明浮动电势介电泳进行氧化锌纳米线规模化装配示意图，其中：1为源极，2为漏极，3为二氧化硅氧化层，4为重掺杂硅，5为背棚极，6为氧化锌纳米线；

图2 浮动电势微电极芯片结构图：a) 晶源，b) 电极单元芯片，c）电极单元结构，d）每

组单元结构局部放大图， e）每对源漏极；

图3为扫描电子显微镜下装配氧化锌纳米线后的纳米器件；

图4为浮动电势介电泳法实现ZnO 纳米线场效应晶体管的规模化装配结果；

图5为ZnO 纳米线场效应晶体管的场效应曲线图。

具体实施方式

本发明所采用浮动电势微电极芯片由源极、漏极、背棚极、重掺杂硅基层、二氧化硅氧化层组成。二氧化硅氧化层厚度为300nm，漏极面积为20~100μm²，源极与漏极间隙为1μm，具体如图1所示。浮动电势微电极芯片结构图俯视如图2所示。

本发明实施例中扫描电子显微镜型号为S-4800：场效应检测所用仪器及型号为安捷伦公司的半导体参数分析仪（Agilent4155C Semiconductor Parameter Analyzer）。

实施例1

采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法，按照如下步骤进行：

（1）制备分散混合溶液：将ZnO纳米线与纯度为99.9%以上的酒精混合，酒精与ZnO纳米线的质量比为1100：1；

（2）采用超声波辅助分散：将ZnO纳米线与酒精混合溶液放入试管中，并放入超声波振荡器中在45℃超声10分钟，而后取出静止1小时后得到均匀半透明溶液;

（3）浮动电势介电泳装配ZnO纳米线：将电场所需的交变电压信号通过探针分别施加在浮动电势微电极芯片的源极和背栅极，采用微量移液器取1μL分散后的上述氧化锌纳米线样品溶液，滴定到浮动电势微电极；对该电极施加正弦交流信号，其频率为1MH_z，峰峰值电压为10V_p-p，浮动电势介电泳持续时间为3s；

（4）后处理：将浮动电势介电泳过的电极芯片在去离子水中进行漂洗，漂洗时间约为20s；然后把电极芯片放到真空干燥箱里加热到105℃，时间为30min，进行退火处理；得到ZnO基纳米器件。

对所得到ZnO基纳米器件进行检测，扫描电子显微镜下装配氧化锌纳米线后的纳米器件其形貌如图3所示，浮动电势介电泳法实现ZnO 纳米线场效应晶体管的规模化装配结果如图4所示，由图可以看出十对电极均装配上了ZnO 纳米线，对其中一个电极对进行了场效应特性的检测，其结果如图5所示，从图中可以看出，栅极电压从-4V到4V，源漏极间电压从-1000mV到1000mV时，ZnO 纳米线场效应晶体管具有明显的场效应特性。

实施例2

（1）制备分散混合溶液：将ZnO纳米线与纯度为99.9%以上的酒精混合，酒精与ZnO纳米线的质量比为1000：1；

（2）采用超声波辅助分散：将ZnO纳米线与酒精混合溶液放入试管中，并放入超声波振荡器中在30℃超声15分钟，而后取出静止1小时后得到均匀半透明溶液;

（3）浮动电势介电泳装配ZnO纳米线：将电场所需的交变电压信号通过探针分别施加在浮动电势微电极芯片的源极和背栅极，采用微量移液器取2μL分散后的上述氧化锌纳米线样品溶液，滴定到浮动电势微电极；对该电极施加正弦交流信号，其频率为2MH_z，峰峰值电压为8V_p-p，浮动电势介电泳持续时间为5s；

（4）后处理：将浮动电势介电泳过的电极芯片在去离子水中进行漂洗，漂洗时间约为15s；然后把电极芯片放到真空干燥箱里加热到105℃，时间为30min，进行退火处理；得到ZnO基纳米器件。

对所得到ZnO基纳米器件进行检测，浮动电势介电泳法实现ZnO 纳米线场效应晶体管的规模化装配，对其中一个电极对进行了场效应特性的检测，栅极电压从-4V到4V，源漏极间电压从-1000mV到1000mV时，ZnO 纳米线场效应晶体管具有明显的场效应特性。

实施例3

（1）制备分散混合溶液：将ZnO纳米线与纯度为99.9%以上的酒精混合，酒精与ZnO纳米线的质量比为1030：1；

（2）采用超声波辅助分散：将ZnO纳米线与酒精混合溶液放入试管中，并放入超声波振荡器中在40℃超声12分钟，而后取出静止1小时后得到均匀半透明溶液;

（3）浮动电势介电泳装配ZnO纳米线：将电场所需的交变电压信号通过探针分别施加在浮动电势微电极芯片的源极和背栅极，采用微量移液器取1.5μL分散后的上述氧化锌纳米线样品溶液，滴定到浮动电势微电极；对该电极施加正弦交流信号，其频率为1.5MH_z，峰峰值电压为9V_p-p，浮动电势介电泳持续时间为7s；

（4）后处理：将浮动电势介电泳过的电极芯片在去离子水中进行漂洗，漂洗时间约为18s；然后把电极芯片放到真空干燥箱里加热到105℃，时间为30min，进行退火处理；得到ZnO基纳米器件。

Claims

1.一种采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法，其特征在于按照如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述一种采用浮动电势介电泳规模化装配制造ZnO基纳米器件的方法，其特征在于所述浮动电势微电极芯片由源极、漏极、背棚极、重掺杂硅基层、二氧化硅氧化层组成，二氧化硅氧化层厚度为300nm，漏极面积为20~100μm²，源极与漏极间隙为1μm。