文档介绍：纳米线的制备方法
与零维量子点相比,纳米线具有阵列结构因此有更大的表面或体积比,尤其是他们所具有的直线电子传输特性,十分有利于光能的吸收和光生载流子的快速转移,由此使得这类准一维纳米结构更适宜制作高效率太阳电池(Si纳米线太阳电池)。《TiO2纳米线和ZnO纳米线则主要用于染料敏化太阳电池的光阳极制作》。 Si纳米线的生长方法:
迄今为止,已采用各种方法制备了具有不同直径、长度和形状的高质量的Si纳米线,利用各种表征技术对其结构特征进行了检测分析,就制备方法而言,目前主要有热化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、激光烧浊沉积、热蒸发、电子束蒸发(EBE)、溶液法和水热法等;就生长机制而言,则主要有气—液—固(VLS)法、气—固(VS)法、气—固—固(VSS)法、固—液—固(SLS)法等,就纳米线类型而言,又有本证Si纳米线和掺杂Si纳米线之分。研究指出,Si纳米线的生长于Si纳米晶粒和量子点的形成不同,后者只需衬底表面具有合适密度与尺寸的成核位置,而前者除了具备上述条件外,还需要同时满足线状结构的生长规律与特点,因此工艺技术要求更加严格。研究者从实验中发现,如果能够利用某一催化剂进行诱导,使纳米点或团簇在催化剂的方向趋使作用下按一定去向生长,预计可以形成纳米线及其阵列结构。大量的研究报道指出,以不同的金属作为Si纳米线合成的催化剂,利用VLS机制
可以实现在Si晶体表面上Si纳米线的成功生长。
目前,作为制备Si纳米线的主流工艺应首推采用金属催化的VLS生长技术,这种方法的主要工艺步骤是:首先在Si衬底表面上利用溅射或蒸发等工艺沉积一薄层具有催化作用的金属(Au、Fe、Ni、Ga、Al),然后进行升温加热,利用金属与Si衬底的共晶作用形成合金液滴,该液滴的直径和分布于金属的自身性质、衬底温度和金属层厚度直接相关。此后,通过含Si的源气体(SiH4、Si2H6、SiCl4)的气相输运或固体靶的热蒸发,使参与Si纳米线生长的原子在液滴处凝聚成核,当这些原子数量超过液相中的平衡浓度以后,结晶便会在合金液滴的下部分析出并最终生长成纳米线,而合金则留在其顶部,也就是说,须状的结晶是从衬底表面延伸,按一定的方向形成具有一定形状、直径和长度Si纳米线的。
除了VLS机制外,SLS机制也可以用于Si纳米线的可控生长,在这种情况下,预先在Si衬底表面沉积一层约厚10nm的金属薄膜(Au、Ni、Fe),然后再N2保护下进行热处理,随着温度的升高,金属催化粒子开始向Si衬底中扩散在界面形成Au-Si合金,当温度达到二者的共熔点时,合金开始融化并形成合金液滴,此时将有更多的Si原子扩散到这些合金液滴中去,当氮气通入反应室中时,液滴便面温度会迅速降低,这将导致Si原子从合金的表面分离和析出,其后,在退火温度为1000°,便可以实现可控Si纳米线的生长。在这,SLS与VLS生长机制的主要不同是:前者是以Si晶片衬底作为参与Si纳米线生长的Si原子的原
料,而且在形成的纳米线顶部没有金属Si合金,而后者一般是由气态Si源的热分解提供参与反应的Si原子,同时所合成的Si纳米线顶部有金属
Si合金的存在。
ZnO纳米线的生长:
从纳米线的生长机制角度而言,ZnO纳米线的生长主要有气—液—固(VLS