用VLS方法制备纳米线.ppt

VLS方法制备纳米线 第十三小组成员 王晓纯 李晨 蒋浩朱思昆 刘建军 钟国彬2008年1月 概要 VLS方法简介VLS生长模型Si纳米线制备流程及结果分析其它纳米线制备 Ge ZnO VLS的优缺点参考文献 第一部分 什么是VLS方法 什么是VLS 气 液 固 Vapor Liquid Solid VLS 法是气相法合成准一维纳米材料的一种方法 20世纪60年代 R S Wagner及其合作者在研究微米级的单晶硅晶须的生长过程中首次提出这种生长机制 目前 VLS生长方法被认为是制备高产率单晶准一维纳米材料的最有效的途径之一 什么是VLS 实现 气 液 固 VLS 生长需要同时满足两个方面的条件 1 形成弥散的 纳米级的 具有催化效应的低熔点合金液滴 这些合金液滴通常是金属催化剂和被制备材料之间作用形成的 常用催化剂有Au Ag Fe Ni等 2 形成一定压力的蒸气相 一般为欲制备的纳米线材料自身所对应的蒸气相或组分 陈翌庆 张琨 王兵等 功能材料 J 2004 35 2804 2808 VLS过程 Si 金属催化剂 Ni Au Fe 共溶阶段 结晶阶段 生长阶段 高温下 Si过饱和析出并结晶 纳米线 轴向生长 气相 Vapor 液相 Liquid 固相 Solid XingYingjie XiZhonghe XueZengquan VacuumScienceandTechnology China J 2002 22 33 35 第二部分 VLS生长模型 VLS生长模型 力学平衡表面能 StevenM Roper StephenH Daviset al J Appl Phys 102 034304 2007 VLS生长模型 基本假定1 忽略Si的各向异性 且固液界面非平面 2 生长过程中夹角 LS LV保持不变 3 生长过程中不偏离直线方向 4 Si的扩散流F保持恒定 5 生长速率v保持恒定 StevenM Roper StephenH Daviset al J Appl Phys 102 034304 2007 影响VLS生长的因素 沉积温度 扩散系数 界面能 催化剂种类 组分浓度 过饱和度 气体压强 界面形状 液滴大小 直径 第三部分 Si纳米线的制备 VLS制备Si纳米线实验流程1 1 制备催化剂液滴将一Au颗粒放置在Si衬底薄片上 加热到950 或者采用Si Au共沉淀法2 引入H2和SiCl4混合气 高温下反应 3 共溶Si进入合金液滴中 过饱和析出4 生长Si沿111方向生长纳米线温度条件不满足时 停止生长 R S WagnerandW C Ellis AppliedPhysicsLetters 4 5 1964 有衬底 VLS制备Si纳米线实验流程2 激光 532nm Si Fe蒸汽 合金纳米团簇 纳米线 融蒸靶材Si1 xFex 1200 过饱和 500torr Ar 凝聚 Si V 中止 冷端 AlfredoM Morales CharlesM Lieber Science 279 5348 1998 无衬底 调节纳米线半径 实验及装置示意图 A 激光融蒸 B Si和Fe凝聚成液滴 C Si过饱和并析出 D Si沿一个方向长成纳米线 AlfredoM Morales CharlesM Lieber Science 279 5348 1998 1 激光 2 汇聚透镜 3 靶 4 控温炉 5 冷端 6 气流 Ar 纳米线TEM像 标尺 100nm B Si纳米线的TEM像与衍射像对比 标尺 10nm C 高分辨TEM像 条件 1200oC 500 torrArflowing 50SCCMPhillipsEM420 120KV 实验结果 AlfredoM Morales CharlesM Lieber Science 279 5348 1998 VLS制备Si纳米线实验流程3 p Si 111 湿式催化氧化 SiO2层及抗蚀层 870nm 通入O2 1000 4 5h 清洁衬底 光刻 表面圆孔阵列 多窗口SiO2掩膜 HF 缓冲剂 清洗 表面覆盖Au薄膜 50 200nm Au蒸汽 微孔中含有Au圆点 10um 高真空GS MBE炉 剥离抗蚀层及表面Au膜 退火 700 微孔中 Au Si液滴 汽源 Si2H6 掺B2H6 p Si纳米线 调节B Si比例 生长速率 Md ShofiqulIslama et al JournalofCrystalGrowth306 2007 276 282 实验示意图 Md ShofiqulIslama et al JournalofCrystalGrowth306 2007 276 282 SiO2 Au 抗蚀层 催化剂团簇对纳米线直径的影响 Au膜厚度固定 Au直径与Si纳米线直径关系 Au直径 孔 度固定 Au膜厚度与Si纳米线直径关系 Md ShofiqulIslama et al JournalofCrystalGrowth306 2007 276 282 催化剂团簇对纳米线直径的影响 右图分别是催化剂团簇 Si Au合金 直径为5 10 20 30nm下得到的Si纳米线直径分布 含氧化物包覆层 条件 100mTorr 440 C Arflow SiH4flowfor5 10min 10 80SCCM inHe YiCui LincolnJ Lauhon MarkS Gudiksen et Al APRIL 78 15 2001 第四部分 其它纳米线制备Ge ZnO a Al2O3 SiC BeO GaAs C B图像黑色窗口的高分辨TEM像 标尺 1nm VLS制备Ge纳米线 AlfredoM Morales CharlesM Lieber Science 279 5348 1998 A 纳米线顶部纳米团簇 标尺 9nm B Ge纳米线 5 0 0 6nm 标尺 5nm 条件 靶材Ge0 9Fe0 1 820 300torr Arflowing 50SCCM VLS制备ZnO纳米线 装置图 PeidongYang et al Adv Funct Mater 12 5 2002 VLS制备ZnO纳米线 PeidongYang et al Adv Funct Mater 12 5 2002 Si 100 a plane 110 sapphire VLS制备ZnO纳米线 Si 100 a plane 110 sapphire PeidongYang et al Adv Funct Mater 12 5 2002 第五部分 VLS的优点和缺点 VLS的优点和缺点 优点单晶准直纳米线直径可控方向性可大面积高产率生产纳米线阵列缺点纯度不够条件苛刻不一定能找到合适的合金催化剂 参考文献 陈翌庆 张琨 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 ShofiqulIslama et al J