1.本发明属于低维纳米材料制备领域，尤其涉及一种碲纳米线垂直阵列的生长方法。


背景技术：

2.随着科技的进步和时代的发展，人们对电子器件的需求越来越高，为了更加适应人们的需求以及进一步发掘电子器件的潜力，微纳材料的性能进一步发掘和提高成为了如今的研究热点。常见的微纳材料有零维的量子点、一维的纳米线、二维的纳米片等。微纳材料特殊的尺寸结构使得微纳材料衍生了一些特殊的量子效应，适用于微纳器件的应用。
3.纳米线作为纳米材料的重要部分，被广泛的应用于力、热、声、光、电的研究。碲纳米线由碲原子的三元螺旋链依靠范德瓦尔斯力并列结合而成，碲晶体结构中螺旋链间作用力较小，晶格振动所需能量较小，螺旋链，链内结合形成共价键，电子在链内传输阻碍较小。这种结构使得碲纳米线具有优异的力学、热学、声学、电学性能，同时，碲纳米线带隙对应吸收近红外波，可应用于光通信领域。但由于碲纳米线自身尺寸较小、稳定性较差，以及大多数碲纳米线的制备工艺和目前常用的cmos工艺不匹配，难以集成化应用，所以经常需要将碲纳米线自组装得到薄膜后再进行后续加工，限制了碲纳米线的应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了能够解决以上问题，本发明提供了一种碲纳米线垂直阵列的生长方法，可以直接在衬底上原位生长碲纳米线阵列，提高碲纳米线的稳定性。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种碲纳米线垂直阵列的生长方法，包括：
6.将碲粉放置于石英管中作为前驱体源；
7.将石英管放置在管式炉中，碲粉位于管式炉的升温区；
8.清洗衬底并干燥，将清洗干燥后的衬底固定于石英管中作为沉积材料，衬底位于管式炉的降温区；
9.将管式炉内的真空度抽至10-20pa，通入惰性气体，清除管式炉内残留的氧气；
10.打开等离子体源激励惰性气体发生电离，形成等离子体，等离子体激发碲粉转化为小颗粒碲粉；
11.加热管式炉，位于管式炉的升温区的小颗粒碲粉受热气化转移至位于管式炉的降温区并在衬底处进行沉积，生长出碲纳米线垂直阵列。
12.根据本发明的实施例，衬底的一个表面的法线方向指向石英管的圆心，碲纳米线垂直阵列的生长方向朝向石英管的圆心。
13.根据本发明的实施例，清洗衬底包括：依次用丙酮清洗20min、无水乙醇清洗20min、去离子水超声清洗20min。
14.根据本发明的实施例，衬底的耐受温度大于300℃，
15.优选地，衬底材料包括：硅、二氧化硅、云母、聚乙酰亚胺、碳纤维。
16.根据本发明的实施例，管式炉为等离子体增强化学气相沉积炉。
17.根据本发明的实施例，惰性气体包括：氮气、氩气、氦气、和氖气中的一种或多种，
18.优选地，惰性气体气流量为0-50sccm。
19.根据本发明的实施例，调节等离子体源的功率为50w，反射功率小于20w。
20.根据本发明的实施例，碲纳米线垂直阵列的生长温度为500-650℃。
21.根据本发明的实施例，管式炉的升温时间为30-40min，保温时间为30-60min。
22.根据本发明的实施例，上述生长方法还包括：
23.碲纳米线垂直阵列生长完成后，将管式炉自然冷却至60℃以下；
24.将生长完成的碲纳米线垂直阵列置于干燥环境保存。
25.根据本发明上述实施例的碲纳米线垂直阵列的生长方法，可以直接在衬底上原位生长碲纳米线阵列，得到碲纳米线薄膜，提高了碲纳米线的稳定性。
附图说明
26.图1示意性示出了根据本发明实施例的实现碲纳米线阵列的生长方法的生长设备的示意图；
27.图2示意性示出了根据本发明实施例的衬底在石英管中的放置位置示意图；
28.图3示意性示出了根据本发明实施例的二氧化硅刚性衬底上生长出的碲纳米线阵列的sem图；
29.图4示意性示出了根据本发明实施例的聚乙酰亚胺柔性衬底上生长出的碲纳米线阵列的sem图；
30.图5示意性示出了根据本发明实施例的碳纤维柔性衬底上生长出的碲纳米线阵列的sem图；以及
31.图6示意性示出了根据本发明实施例的聚乙酰亚胺柔性衬底上生长出的碲纳米线阵列进行激光直写之后的sem图；
32.【附图标记】
33.1-等离子体源；2-管式炉的升温区；3-管式炉的降温区；4-石英管；5-碲粉；6-衬底。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
35.碲纳米线具有优异的力学、热学、声学、电学性能，同时碲纳米线带隙对应吸收近红外波，可应用于光通信领域，应用范围广泛，但现有技术中碲纳米线的应用首先需要将碲纳米线进行自组装得到薄膜后再进行后续加工和研究，且与传统cmos兼容性较差。如果直接原位生长碲纳米线，便可省去多余步骤，也可以进行碲纳米线垂直结构的深入研究。
36.根据以上发明构思，本发明提供一种碲纳米线垂直阵列的生长方法，包括：
37.将碲粉放置于石英管中作为前驱体源；
38.将石英管放置在管式炉中，碲粉位于管式炉的升温区；
39.清洗衬底并干燥，将清洗干燥后的衬底固定于石英管中作为沉积材料，衬底位于
管式炉的降温区；
40.将管式炉内的真空度抽至10-20pa，通入惰性气体，清除管式炉内残留的氧气；
41.打开等离子体源激励惰性气体发生电离，形成等离子体，等离子体激发碲粉转化为小颗粒碲粉；以及
42.加热管式炉，位于管式炉的升温区的小颗粒碲粉受热气化转移至位于管式炉的降温区并在衬底处进行沉积，生长出碲纳米线垂直阵列。
43.图1示意性示出了根据本发明实施例的实现碲纳米线阵列的生长方法的生长设备的示意图。结合图1对碲纳米线垂直阵列的生长方法进行详细描述，碲纳米线阵列生长方法包括s01～s09。
44.在操作s01，将碲粉5放置于石英管4中作为前驱体源。
45.在操作s02，将石英管4放置在管式炉中，碲粉位于管式炉的升温区2。
46.根据本发明的实施例，管式炉为等离子体增强化学气相沉积pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition)炉。
47.根据本发明的实施例，本发明的生长方法采取的是外加等离子体辅助的气相沉积工艺，采用管式炉，制备的设备要求较低，保证了碲纳米线能够的批量生产。
48.根据本发明的实施例，碲粉位于管式炉升温区中偏向衬底的位置，便于碲粉向衬底转移，减少损耗。
49.在操作s03，清洗衬底6并干燥。
50.根据本发明的实施例，衬底的耐受温度大于300℃。具体地，衬底承受至少30分钟300摄氏度的高温而不会分解变质。
51.根据本发明的实施例，衬底材料包括：硅、二氧化硅、云母、聚乙酰亚胺pi(polyacetyl imide)、碳纤维。
52.根据本发明的实施例，衬底可以选用硅或二氧化硅，意味着可以直接将碲纳米线的制备工艺融入到cmos工艺，无需再进行复杂的转印排序过程，应用加工更加便捷。
53.根据本发明的实施例，衬底可以选用pi、碳纤维等柔性衬底，也彰显了碲纳米线生长方法在柔性电子领域的应用前景。
54.根据本发明的实施例，清洗衬底包括：依次用丙酮清洗20min、无水乙醇清洗20min、去离子水超声清洗20min。
55.在操作s04，将清洗干燥后的衬底6固定于石英管4中作为沉积材料，衬底位于管式炉的降温区3。
56.根据本发明的实施例，衬底固定于石英管中的固定方式包括使用双面碳胶带将衬底粘贴固定。
57.图2示意性示出了根据本发明实施例的衬底在石英管中的放置位置示意图，如图2所示，衬底的放置位置要保证，衬底的一个表面的法线方向指向石英管的圆心，从而保证碲纳米线垂直阵列的生长方向朝向石英管的圆心。
58.在操作s05，将管式炉内的真空度抽至10-20pa，通入惰性气体，清除管式炉内残留的氧气。
59.根据本发明的实施例，使用真空泵将气压抽至20pa以下，同时以50sccm通惰性气体10-15min，保证惰性气体替换设备腔内空气。
60.根据本发明的实施例，惰性气体包括：氮气、氩气、氦气、和氖气中的一种或多种。
61.例如，惰性气体气流量为0-50sccm。
62.根据本发明的实施例，碲纳米线生长过程中，真空泵处于开启状态，同时根据需要调节惰性气体气流量以得到不同直径的纳米线，气流量越大，纳米线约粗。
63.在操作s06，打开等离子体源1激励惰性气体发生电离，形成等离子体，等离子体激发碲粉5转化为小颗粒碲粉。
64.根据本发明的实施例，调节等离子体源的功率为50w，反射功率小于20w。
65.在操作s07，加热管式炉，位于所述管式炉的升温区的所述小颗粒碲粉受热气化转移至所述管式炉的降温区并在所述衬底6处进行沉积，生长出所述碲纳米线垂直阵列。
66.根据本发明的实施例，碲纳米线垂直阵列的生长温度为500-650℃。
67.根据本发明的实施例，管式炉的升温时间为30-40min，保温时间为30-60min。
68.根据本发明的实施例，设定的碲纳米线生长温度越低，碲粉转移越慢，生长出的碲纳米线优势取向越明显，碲纳米线越细。
69.根据本发明的实施例，升温时间、生长温度、生长时间需根据碲粉的质量进行合理的控制，要有足够长的生长时间以保证碲粉较为彻底地转移沉积，但又不能能太长以免造成制得的纳米线随着气流转移损耗，
70.根据本发明的实施例，实际生长过程需配合碲粉质量进行控制，碲粉质量为50mg时，生长时间为30-60min。
71.在一种示例性实施例中，碲纳米线垂直阵列生长完成后，将管式炉自然冷却至60℃以下，将生长完成的碲纳米线垂直阵列置于干燥环境保存。
72.根据本发明的实施例，本发明提供的碲纳米线垂直阵列的生长方法直接在衬底上原位生长碲纳米线阵列，制作流程简单，可得到大批均匀的纳米线，同时省略了自组装流程；直接得到更为有序的碲纳米线薄膜，克服了单根碲纳米线稳定性较差等问题，扩展了碲纳米线的应用范围，能够满足科研生产需求；更进一步地，本发明所得碲纳米线阵列薄膜可以激光直写进行图案化，可以对薄膜进行进一步设计，以满足不同电子器件结构的需求。
73.下面通过以二氧化硅为衬底的实施例说明上述碲纳米线垂直阵列的生长方法。需要说明的是，该举例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。
74.称取约50mg碲单质粉末，放入规格为φ20
×
200mm的石英试管底部。
75.将二氧化硅片依次用丙酮清洗20min、无水乙醇清洗20min、去离子水超声清洗20min，干燥后使用双面碳胶带将干净衬底粘贴在试管口，衬底沉积材料的表面朝向试管界面圆心。
76.将石英试管放入pecvd炉，石英试管中碲单质处于炉内升温区，衬底处于温降区。
77.将管内真空度抽至20pa，通入ar气清洗10min。
78.将ar气关闭。打开等离子体源，设定功率为50w，调节反射功率小于20w。
79.加热pecvd炉，使升温区经过35min升温至550摄氏度，保温30min,然后自然冷却至60摄氏度以下。
80.将得到的碲纳米线垂直阵列置于干燥环境保存。
81.图3示意性示出了根据本发明实施例的二氧化硅刚性衬底上生长出的碲纳米线阵列的sem图，对上述碲纳米线垂直阵列进行扫描，得到如图3所示的sem图，可以明显看出途
中碲纳米线垂直阵列具有良好的均一性。
82.图4示意性示出了根据本发明实施例的聚乙酰亚胺柔性衬底上生长出的碲纳米线阵列的sem图，将上述实施例中的衬底材料改为聚乙酰亚胺，其余条件不变，得到碲纳米线垂直阵列进行扫描，得到如图4所示sem图。
83.图5示意性示出了根据本发明实施例的碳纤维柔性衬底上生长出的碲纳米线阵列的sem图，将上述实施例中的衬底材料改为碳纤维，其余条件不变，得到碲纳米线垂直阵列进行扫描，得到如图5所示sem图。
84.图3至图5所示的以上三种sem图表明了本发明的生长方法对衬底的要求较低，兼容性好，同时得到的碲纳米线垂直阵列都具有良好的均一性。
85.图6示意性示出了根据本发明实施例的聚乙酰亚胺柔性衬底上生长出的碲纳米线阵列进行激光直写之后的sem图，如图6所示，碲纳米线阵列薄膜可以被进行进一步设计，以满足不同电子器件结构的需求，也说明该工艺与成熟的cmos工艺具有较高的兼容性。
86.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。