CN111893454B - 一种常压下锗锡纳米材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，属于半导体纳米材料技术领域。包括以下步骤：S1、取硅片，在其表面喷涂金属催化剂处理；S2、将S1处理后的硅片平置于圆底瓷舟内的一端，其喷涂金属催化剂的一面朝上；将以质量比为20～10:1的锗粉和锡粉置于圆底瓷舟内的另一端，再将圆底瓷舟置于管式炉的加热腔内，并在位于装有锗粉和锡粉的一端以200sc·cm气体流量连续通入惰性气体，然后将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800～850℃后，保温50～110min，再以5℃/min速率降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米材料。本发明能够快速直接制备锗锡纳米材料，在整个制备过程中不需要废气处理、可以持续生产、设备简单，易操作。

Description

一种常压下锗锡纳米材料的制备方法
技术领域
本发明属于半导体纳米材料技术领域，具体涉及一种常压下锗锡纳米材料的制备方法。
背景技术
纳米科学与纳米技术是当前最活跃的领域之一，而一维半导体纳米材料由于具有很特殊的电学及光学的尺寸依赖性以及现代电子工业中的潜在应用已经越来越多的吸引了人们的广泛关注，对一维半导体纳米材料如纳米线等在纳米级的电子器件、传感器、连接导线等方面具有很好的应用前景。量子点是零维***，是尺寸非常小的晶体结构，零维纳米点优异的电学、光学、热学性能已经越来越被人们熟知；纳米线是一种厚度在纳米范围的材料。是一种纳米尺度(1纳米＝10-9米)的线，在这种尺度上，量子力学效应很重要，因此也被称作“量子线”。
锗(Ge)为IV主族元素,是一种重要的半导体材料。与块体硅相比,块体锗的某些性能在应用上更有优势：(1)锗的本征载流子(电子和空穴)迁移率高,室温下其迁移率分别为μn＝3900cm2/(V·s)和μp＝1900cm2/(V·s),而硅的载流子(电子和空穴)迁移率分别为μn＝1500cm2/(V·s)和μp＝450cm2/(V·s),在制备高频及快速转换器件方面很有潜力；(2)锗的本征载流子浓度高,其载流子浓度为2.4×1013/cm3,而硅的载流子浓度为1.45×1010/cm3；(3)锗的玻尔半径为24.3nm，远大于一般半导体材料的玻尔半径(例如硅的玻尔半径4.9nm)，所以锗量子点、纳米线更容易呈现量子限制效应等性能。因为与GaAs等III-V族材料有相近的晶格常数,锗与III-V族半导体材料更容易匹配，所以锗纳米材料在新型纳米电子器件、纳米连接导线等领域具有重要的潜在应用价值。
锗纳米点、线及阵列的电子输运、光致发光(PL)、光电导等性能也获得了广泛研究，这些都为推动锗纳米材料的实际应用奠定了良好的实验基础。目前，本领域技术人员已经采用激光烧蚀、化学气相沉积(CVD)、热蒸发、模板法、超临界溶液法、等离子体技术及磁控溅射等技术制备出了高质量的锗纳米点、线及其阵列。现有的这些技术使用的温度和压力条件苛刻，时间成本大、使用设备昂贵，尤其采用化学法合成法试剂难以去除，影响实验测试结果。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，能够快速直接制备锗锡纳米材料，在整个制备过程中不需要废气处理、可以持续生产、设备简单，易操作。
本发明的目的是提供一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取硅片，在其表面喷涂金属催化剂处理；
S2、将S1处理后的硅片平置于圆底瓷舟内的一端，其喷涂金属催化剂的一面朝上；
将以质量比为20～10:1的锗粉和锡粉置于圆底瓷舟内的另一端，再将圆底瓷舟置于管式炉的加热腔内，并在位于装有锗粉和锡粉的一端以200sc·cm气体流量连续通入惰性气体，然后将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800～850℃后，保温50～110min，再以5℃/min速率降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米材料。
优选的，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800℃-850℃后，保温50～60min，即在硅片表面获得锗锡纳米点。
优选的，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800℃-850℃后，保温90～110min，即在硅片表面获得锗锡纳米线。
优选的，所述金属催化剂包括铂金、钠、镍、铋中的一种或多种，其中喷涂厚度为4nm。
更优选的，所述硅片在其表面喷涂金属催化剂前，首先用丙酮溶液超声清洗后，再用去离子水冲洗干净。
优选的，所述以5℃/min速率降至室温过程中，先以5℃/min速率降至100℃，随后自然降至室温。
优选的，所述连续通入惰性气体的时长直至反应结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够快速直接制备锗锡纳米材料，在整个制备过程中不需要废气处理、可以持续生产、设备简单，易操作。
本发明提供的制备方法，通过控制惰性气体流速，以及保温时长，能够制备出不同形貌的锗锡纳米材料，人们可以根据生产纳米电子器件的需要制备出不同形貌的锗锡纳米材料。
本发明是基于气-液-固(VLS)的生长机制实现了锗锡纳米线的持续生长。铂金作为催化剂，在高温下，含锗锡的前驱体气体将锗输运到硅片表面，且在液态金属催化剂的作用下分解，与液态金属催化剂形成液态合金，随着前驱体气体在液态合金表面不断吸附和溶入，液态合金达到一定的饱和度，晶体纳米线开始析出即形核，之后，气态的锗锡原子不断扩散到液-固界面上，促使晶体进一步析出，导致了锗锡纳米线的不断生长。
附图说明
图1为实施例制备锗锡纳米材料所使用的实验装置图。
图2为实施例2制备得到的锗锡纳米点SEM图。
图3为实施例3制备得到的锗锡纳米线SEM图。
图4为实施例2制备得到的锗锡纳米点EDS图。
图5为实施例3制备得到的锗锡纳米线EDS图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
需要说明的是，下述各实施例中选用的所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到；所述实验方法中如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，利用见图1所示的实验装置进行制备，包括以下步骤：
选取长宽为10mm*10mm的硅片进行清洗：首先用丙酮溶液超声清洗20min，用以去除硅片表面有机物，然后用去离子水冲洗干净；
喷涂铂金：在干燥的硅片表面喷有4nm厚的铂金；
将表面喷有铂金的硅片平置于管式炉内一端，其将喷有铂金的一面朝上；
将以0.5g锗粉和0.025g锡粉置于管式炉内另一端，并在此端连续通入惰性气体后，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至850℃后，保温60min再以5℃/min速率降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米点；其中，连续通入惰性气体的时长直至反应结束。
实施例2
一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，利用见图1所示的实验装置进行制备，包括以下步骤：
选取长宽为10mm*10mm的硅片进行清洗：首先用丙酮溶液超声清洗20min，用以去除硅片表面有机物，然后用去离子水冲洗干净；
喷涂铋：在干燥的硅片表面喷有4nm厚的铋；
将表面喷有铋的硅片置于圆底瓷舟的一端，其将喷有铋的一面朝上；
将以0.25g锗粉和0.025g锡粉置于圆底瓷舟的另一端，然后将圆底瓷舟置于管式炉内，并将装有锗粉和锡粉的一端置于管式炉的中央，同时，在此端连续通入惰性气体后，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800℃后，保温50min，再以5℃/min速率降至100℃，最后自然降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米点；其中，连续通入惰性气体的时长直至反应结束。该实施例，采用圆底瓷舟有利于制备出锗锡纳米点的纯度。
实施例3
一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，利用见图1所示的实验装置进行制备，包括以下步骤：
选取长宽为10mm*10mm的硅片进行清洗：首先用丙酮溶液超声清洗20min，用以去除硅片表面有机物，然后用去离子水冲洗干净；
喷涂镍：在干燥的硅片表面喷有4nm厚的镍；
将表面喷有镍的硅片置于圆底瓷舟的一端，其将喷有镍的一面朝上；，
将以0.5g锗粉和0.025g锡粉置于圆底瓷舟的另一端，然后将圆底瓷舟置于管式炉内，并将装有锗粉和锡粉的一端置于管式炉的中央，同时，在此端连续通入惰性气体后，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800℃后，保温100min，再以5℃/min速率降至100℃，最后自然降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米线；其中，连续通入惰性气体的时长直至反应结束。
该实施例，采用圆底瓷舟有利于制得的锗锡纳米线的纯度。
为了说明本发明提供的常压下锗锡纳米材料的制备方法制备出的锗锡纳米材料的相关性能，对实施例2～3分别提供的锗锡纳米点和锗锡纳米线，采用电镜扫描(SEM)表征，同时对实施例3提供的锗锡纳米线进行能量色散X射线光谱仪(EDS)表征。见图2～4。
图2为实施例2制备得到的锗锡纳米点SEM图。从图2可知，硅衬底上生长出来的锗锡纳米点均匀的分布在硅片表面。
图3为实施例3制备得到的锗锡纳米线SEM图。从图3可知，硅衬底上生长出来的锗锡纳米线呈任意发散的“针状”覆盖在硅片表面。
图4为实施例2制备得到的锗锡纳米点EDS图。从图5可知，纳米点主要含有锗、锡元素.
图5为实施例3制备得到的锗锡纳米线EDS图。从图5可知，纳米线主要含有锗、锡元素.
本发明是基于气-液-固(VLS)的生长机制实现了锗锡纳米线的持续生长。铂金作为催化剂，在高温下，含锗锡的前驱体气体将锗输运到液态金催化剂内并分解，与金形成液态合金，随着前驱体气体在液态合金表面不断吸附和溶入，液态合金达到一定的饱和度，晶体纳米线开始析出即形核，之后，气态的锗锡原子不断扩散到液-固界面上，促使晶体进一步析出，导致了锗锡纳米点或纳米线的不断生长。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取长宽为10mm*10mm的硅片进行清洗：首先用丙酮溶液超声清洗20min，用以去除硅片表面有机物，然后用去离子水冲洗干净；
喷涂铂金：在干燥的硅片表面喷有4nm厚的铂金；
将表面喷有铂金的硅片平置于管式炉内一端，其将喷有铂金的一面朝上；
将0.5g锗粉和0.025g锡粉置于管式炉内另一端，并在此端以200sc·cm气体流量连续通入惰性气体后，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至850℃后，保温60min再以5℃/min速率降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米点，其中，连续通入惰性气体的时长直至反应结束。
2.一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取长宽为10mm*10mm的硅片进行清洗：首先用丙酮溶液超声清洗20min，用以去除硅片表面有机物，然后用去离子水冲洗干净；
喷涂铋：在干燥的硅片表面喷有4nm厚的铋；
将表面喷有铋的硅片置于圆底瓷舟的一端，其将喷有铋的一面朝上；
将0.25g锗粉和0.025g锡粉置于圆底瓷舟的另一端，然后将圆底瓷舟置于管式炉内，并将装有锗粉和锡粉的一端置于管式炉的中央，同时，在此端以200sc·cm气体流量连续通入惰性气体后，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800℃后，保温50min，再以5℃/min速率降至100℃，最后自然降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米点；其中，连续通入惰性气体的时长直至反应结束。
3.一种常压下锗锡纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取长宽为10mm*10mm的硅片进行清洗：首先用丙酮溶液超声清洗20min，用以去除硅片表面有机物，然后用去离子水冲洗干净；
喷涂镍：在干燥的硅片表面喷有4nm厚的镍；
将表面喷有镍的硅片置于圆底瓷舟的一端，其将喷有镍的一面朝上；
将0.5g锗粉和0.025g锡粉置于圆底瓷舟的另一端，然后将圆底瓷舟置于管式炉内，并将装有锗粉和锡粉的一端置于管式炉的中央，同时，在此端以200sc·cm气体流量连续通入惰性气体后，将管式炉从室温以5℃/min速率升温至800℃后，保温100min，再以5℃/min速率降至100℃，最后自然降至室温，即在硅片表面获得锗锡纳米线；其中，连续通入惰性气体的时长直至反应结束。
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