高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法 |
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| 申请号 | CN201710329476.3 | 申请日 | 2017-05-11 | 公开(公告)号 | CN107130292A | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 江汉大学; | 发明人 | 曹元成; 汤舜; 程琦; 梁济元; 闫继; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高红外光效 硅 基InAsSb 纳米线 制备方法，使用液滴辅助 外延 法，首先在硅 基板 用 有机 溶剂 清洗，进行 等离子体 表面活化；之后硅基板在In喷雾中活化，硅基板表面形成有益成核位点；然后交替打开纳米线中各元素的 蒸汽 阀 门 ，调节其中As或Sb的分子束当量压 力 改变纳米线中Sb的含量，控制 纳米晶 体的生长时间20～120分钟，使纳米线在喷雾中逐步生长；最后同时关闭各元素阀门终止纳米线的生长。本发明使用液滴辅助外延法在硅基上生长InAsSb纳米线，通过控制As或Sb的分子束当量压力可得到不同Sb含量的InAsSb纳米线；操作简单；当Sb含量为19％时，所得InAsSb纳米线的 光致发光 发射 波长 达到5.1μm，可 覆盖 更多频段的 中红外 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法，使用液滴辅助外延法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法技术领域背景技术[0002] InAsSb合金具有独特的性质，其有直接可调的窄带隙能量，高热导率，小电子有效质量，长载流子寿命和高电子迁移率；InAsSb纳米线由其独特的一维结构在器件应用中具有诸多优点，如增强的光吸收，长载流子扩散长度，改进的载流子收集效率，具有不同晶格参数和掺杂的材料的组合自由度，使其广泛应用于光电子器件、高速电子器件、红外探测、太阳能电池中。将InAsSb纳米线生长于硅基体上，可得到中红外区域工作的高效率室温光电检测器。然而，由于Sb表面活性剂效应，掺入Sb于合金体系中容易产生高度致密的晶体缺陷，生产具有高Sb含量的高品质的InAsSb纳米线是一个挑战。已有一种Sb含量为15％的InAsSb纳米线，其光致发光发射波长仅为4.0μm，这将使InAsSb纳米线仅能覆盖部分中波长红外频带，在红外光电探测器中的应用受限。因此有必要开发一种拥有更长光致发光发射波长的Sb含量更高的InAsSb纳米线。 发明内容[0003] 本发明的目的是提供一种高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法，操作简单有效，操作温度在室温，InAsSb纳米线的晶体外形规则，InAsSb纳米线中Sb含量为19％时，光致发光发射波长延伸至5.1μm。 [0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法，使用液滴辅助外延法，包括以下步骤： [0006] 2)形成成核位点：硅基板在In喷雾中活化，硅基板表面形成有益成核位点； [0008] 4)终止生长：同时关闭各元素阀门终止纳米线的生长。 [0010] 进一步地，所述步骤1)中等离子体表面活化的时间为20～40分钟。 [0011] 进一步地，所述步骤3)中各元素为In、As或Sb，交替打开的顺序为In、As或Sb的任意组合。 [0012] 进一步地，所述步骤3)中调节的元素为Sb或As，调节Sb的分子束当量压力时，In和As的比例保持不变，Sb的含量随Sb的分子束当量压力改变；调节As的分子束当量压力时，In和As的比例变化，Sb的分子束当量压力保持不变，Sb的含量随In和As的比例变化而改变。 [0013] 进一步地，所述步骤3)中纳米晶体的生长时间为20～120分钟。 [0014] 进一步地，所述步骤4)中纳米线终止生长时其长度范围为20～60nm。 [0015] 进一步地，所述纳米线为InAsSb纳米线，所述纳米线为六棱柱型，所述纳米线为纯闪锌矿结晶相。 [0016] 优选地，一种高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法，首先将硅基板用丙酮超声清洗，并进行等离子体活化30分钟；硅基板在In喷雾中活化，硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打开In、As和Sb的蒸汽阀门，调节Sb分子束当量压力控制纳米晶体中Sb元素的含量为19％，控制纳米晶体的生长时间为30分钟或120分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As和Sb的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，制得Sb含量为19％的InAsSb纳米线。 [0017] 本发明1)使用液滴辅助外延法在硅基上生长InAsSb纳米线，通过控制As或Sb的分子束当量压力改变纳米线中Sb的含量，可以得到不同Sb含量的纳米线；操作简单，容易实施；2)当Sb含量为19％时，所得InAsSb纳米线的光致发光发射波长达到5.1μm，可覆盖更多的中红外频带段；3)InAsSb纳米线呈规则的六棱柱型，呈纯闪锌矿结晶相，通过本发明纳米线的制备方法，晶体结构缺陷得到很好的抑制，晶体结构稳定，每条纳米线上的不同点的元素Sb分布均匀。附图说明 [0018] 图1为本发明在As/In通量比为50:50时，在Sb的分子束当量压力为4.5％时生长的Sb含量为19％的InAsSb纳米线的SEM图。 [0019] 图2为本发明Sb含量为3％(b)，16％(c)，19％(d)的的InAsSb纳米线以及Sb含量为0％(a)的InAs纳米线的高分辨率TEM图像和对应的电子衍射图。 [0020] 图3为本发明Sb含量为3％(b)，11％(c)，16％(d)和19％(e)的InAsSb纳米线以及Sb含量为0％(a)的InAs纳米线的10K光电子密度的演变曲线。 [0021] 图4为本发明Sb含量为3％(a)，11％(b)，16％(c)和19％(d)的单个InAsSb纳米线的EDX点的元素组成测试。 具体实施方式[0022] 下面结合优选的具体实施方式对本发明作进一步详细说明，便于更清楚地了解本发明，但本发明不局限于下述具体实施方式。 [0023] 本发明纳米线的生长方式为：首先，In原子在硅基板上形成成核位点，As元素蒸气在In元素的位点上进行晶型排布，在持续的In和As元素的分子束通量下，进行Sb元素的掺杂，使晶体持续生长，形成轴向生长的纳米线。 [0024] 本发明有两种控制Sb在InAsSb纳米线含量中的方法：当As/In通量比为保持不变时，改变Sb的分子束当量压力而得到Sb含量为3％，11％，16％和19％的InAsSb纳米线，具体为当As/In通量比为50:50时，当Sb的分子束当量压力由1.3％增大到4.5％时，Sb含量由4.5％增加到19％，此阶段内是线性的；Sb的分子束当量压力保持不变，调节As的分子束当量压力，In和As的比例变化后对应得到Sb含量为3％，11％，16％和19％的InAsSb纳米线，具体为当保持Sb的分子束当量压力为4.5％时，As/In由50:50增加到90:10，Sb的含量由19％下降到12％，此阶段内是线性的。 [0025] 本发明一种高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法，使用液滴辅助外延法，包括以下步骤： [0026] 1)活化：硅基板用丙酮超声清洗，并进行等离子体表面活化20～40分钟； [0027] 2)形成成核位点：硅基板在In喷雾中活化，In元素蒸汽在硅基板上与硅元素结合并形成晶核，使得硅基板表面形成有益的成核位点； [0028] 3)生长纳米线：交替打开纳米线中In、As或Sb的蒸汽阀门，顺序可以任意组合，调节其中Sb或As的分子束当量压力，改变纳米线中Sb的含量，控制纳米晶体的生长时间在20～120分钟，使纳米线在喷雾中逐步生长为六棱柱型的InAsSb纳米线； [0029] 4)终止生长：同时关闭各元素阀门终止纳米线的生长，终止生长时其长度范围为20～60nm。 [0030] 本发明可采用以下方法对InAsSb纳米线进行测试和表征：用电子扫描显微镜(SEM)来观察InAsSb纳米线的表面形貌；用高分辨透射电子显微镜(TEM)来观察纳米线晶体品质；用荧光光谱仪来测定荧光性能；用X-射线能谱仪来分析纳米线中各部分的元素组成；用傅里叶红外光谱来测定纳米线的温度敏感性和激发波长。 [0031] 实施例1 [0032] 在硅基板上制备InAsSb纳米线的方法，首先将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化30分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打开In、As和Sb的蒸汽阀门，调节Sb分子束当量压力为4.5％，同时As/In通量比为50:50，使得纳米晶体中Sb元素的含量为19％，控制纳米晶体的生长时间为120分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As和Sb的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到Sb含量为19％的InAsSb纳米线。 [0033] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为19％的InAsSb纳米线，测得光致发光发射波长为5.1μm。 [0034] 实施例2 [0035] 将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化20分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打开In、Sb和As的蒸汽阀门，调节As分子束当量压力到60，控制Sb的分子束当量压力为5.5％不变，As/In通量比为60:40，控制纳米晶体中Sb元素的含量为19％，控制纳米晶体的生长时间为30分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、Sb和As的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到Sb含量为19％的InAsSb纳米线。 [0036] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为19％的InAsSb纳米线，测得光致发光发射波长为5.1μm。 [0037] 实施例3 [0038] 将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化30分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打开As、In和Sb的蒸汽阀门，调节Sb分子束当量压力为3.8％，同时As/In通量比为50:50，使得纳米晶体中Sb元素的含量为16％，控制纳米晶体的生长时间为50分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As和Sb的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到Sb含量为16％的InAsSb纳米线。 [0039] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为16％的InAsSb纳米线，测得光致发光发射波长为4.5μm。 [0040] 实施例4 [0041] 将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化40分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打开Sb、In和As的蒸汽阀门，增加As分子束当量压力到94，即As/In通量比为94:6，使得纳米晶体中Sb元素的含量为11％，控制纳米晶体的生长时间为100分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As和Sb的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到Sb含量为11％的InAsSb纳米线。 [0042] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为11％的InAsSb纳米线，测得光致发光发射波长为3.6μm。 [0043] 实施例5 [0044] 将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化30分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打开Sb、As和In的蒸汽阀门，调节Sb分子束当量压力为1％，同时As/In通量比为50:50，使得纳米晶体中Sb元素的含量为3％，控制纳米晶体的生长时间为20分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As和Sb的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到Sb含量为3％的InAsSb纳米线。 [0045] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为3％的InAsSb纳米线，测得光致发光发射波长为3.0μm。 [0046] 实施例6 [0047] 将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化30分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打As、Sb和In的蒸汽阀门，调节Sb分子束当量压力为4.2％，同时As/In通量比为40:60，使得纳米晶体中Sb元素的含量为19％，控制纳米晶体的生长时间为30分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As和Sb的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到Sb含量为19％的InAsSb纳米线。 [0048] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为19％的InAsSb纳米线，测得光致发光发射波长为5.1μm。 [0049] 对比例1 [0050] 将硅基板用丙酮超声清洗，等离子体活化30分钟；硅基板在In喷雾中活化使得硅基板表面形成均匀的有益的成核位点；交替打As、In的蒸汽阀门，调节As分子束当量压力，同时As/In通量比为100，控制纳米晶体的生长时间为30分钟，纳米线在喷雾中逐步生长；同时关闭In、As的蒸汽阀门，停止纳米线的生长，得到不含Sb的InAs纳米线。 [0051] 用傅里叶红外光谱法测定上述Sb含量为0％的InAs纳米线，测得光致发光发射波长为2.5μm。 [0052] 由实施例1～6可知，改变InAsSb纳米线中Sb的含量的方法有两种，一种为调节Sb的分子束当量压力，In和As的通量比保持不变，Sb的含量随Sb的分子束当量压力改变；另一种为调节As的分子束当量压力，In和As的比例变化，Sb的分子束当量压力保持不变，Sb的含量随In和As的比例变化而改变，两种方法均是可行的。当Sb含量为19％时，本发明所得的InAsSb纳米线的光致发光波长为5.1μm，加入该种纳米线于红外波长探测器中可增加更多的中红外探测的频段。 [0053] 图1为本发明在As/In通量比为50:50时，在Sb的分子束当量压力为4.5％时生长的InAsSb纳米线的SEM图，表明本发明InAsSb纳米线为六棱柱型，在径向方向是上升的，纳米线在硅基板上各有效成核位点均匀生长，不会因太过集中而聚集起来影响各组纳米线的晶型。 [0054] 图2中Sb含量为3％(b)，16％(c)，19％(d)的InAsSb纳米线以及Sb含量为0％(a)的InAs纳米线的高分辨率TEM图像和对应的电子衍射图表明了Sb元素掺杂后具有良好的结构一致性，Sb不会集中在某一部分，而是在整个纳米线上均匀分配。 [0055] 图3中Sb含量为3％(b)，11％(c)，16％(d)和19％(e)的InAsSb纳米线以及Sb含量为0％(a)的InAs纳米线荧光光谱测试结果，10K光电子密度的演变曲线，随着InAsSb纳米线中掺入Sb的增加，各纳米线所需的光子能量越少，Sb含量为19％的InAsSb纳米线，其电子跃迁所需的光子能量为0.22eV。 [0056] 图4中分别选取Sb含量为3％(a)，11％(b)，16％(c)和19％(d)的单个InAsSb纳米线，并分别在两端及中央取点进行EDX点的测试，分析元素组成，结果显示同一个纳米线不同点的Sb含量基本一致，不会有Sb致密或稀疏的段。 [0058] 以上所述的具体实施方式仅仅是示意性的，本发明中所用到的技术术语的限定性修饰词仅为方便本发明的描述，本领域的普通技术人员在本发明高红外光效硅基InAsSb纳米线制备方法的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可衍生出很多形式，这些均在本发明的保护范围之内。 |
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