基于纳米线的微纳电子器件技术现状与发展趋势

基于纳米线的微纳电子器件技术现状与发展趋势

姚亚

（杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州310018）

摘要：本文以Cu纳米线和ZnO纳米线为主线，综述了Cu纳米线和ZnO纳米线制备技术的最新进展，系统介绍了制备Cu纳米线和ZnO纳米线的原理和特点，与此同时，仔细介绍了Cu 纳米线和ZnO纳米线不同的制备方法，最后探讨并展望了Cu 纳米线ZnO纳米线在微纳电子器件技术中的现状与发展趋势。

关键字：Cu纳米线；ZnO纳米线；制备；现状；发展趋势

ABSTRACT：In this paper, the Cu nano nanowires and ZnO nanowires as the main line, review the Cu nano nanowires and ZnO nanowires of preparation technology of the latest progress systematacially. This paper introduced the preparation of Cu nano principle and characteristics of the Cu nanowires and ZnO nanowires, and introduced the different preparation methods between the Cu nanowires and ZnO nanowires carefully.Finally, the present situation and development trend of Cu nanowires and ZnO nanowires in micro nano electronic devices are discussed and prospected. Keywords: Cu nanowires ;ZnO nanowires; preparation; status;trend of development

1引言

纳米线是一种在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构，典型纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。根据组成材料的不同，纳米线可分为金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。半导体纳米线被誉为下一代微纳电子器件的基本结构，在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线将会起着举足轻重的作用；同时，还可以作为化合物中的添加剂、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。

Cu纳米线作为金属纳米线中的典型代表，一方面在未来的微纳电子器件中具有极其重要的应用价值，另一方面可为实验研究某些新奇的物理现象，比如可为电导量子化和尺寸效应等提供理想的模型系统。

作为第三代半导体材料的ZnO是II-VI族直接宽带隙化合物半导体,具有禁带宽、激子束缚能高、无毒、原料易得、成本低、抗辐射能力强和良好的机电藕合性能,因而被广泛应用于太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、气敏器件、压敏器件等。随着纳米科技的发展,ZnO纳米结构与体材料相比具有更优异的性能。目前己经制备出了多种不同形貌的一维纳米材料,并在激光、场发射、光波导、非线性光学等领域上有了新的用途。

2 ZnO纳米线

2.1 ZnO的晶体结构

ZnO晶体有NaCl型、立方闪锌矿型和六方纤锌矿型三种结晶形态，如图3-1 所示。在室温和常压下，ZnO晶格一般呈纤锌矿结构，属六方晶系，其理想空间群为p63mc，晶格常数为a=0.325nm，c=0.521nm，d=0.194nm，在c轴方向有极性，如图3-1(c)所示。纤锌矿结构的ZnO晶体中，氧原子按照六方密集堆积排列，锌原子填充半数的四面体间隙，即每个锌原子周围有4个氧原子，构成Zn-O4四面体，四面体的顶角互相连接。四面体的1个面与+c 即(0001)面平行，四面体的1个角指向-c面。

图3-1 ZnO的晶体结构示意图(a)立方岩盐结构(B1)；(b)立方闪锌矿结构(B3)；(c)六方纤锌矿结构(B4)

2.2 ZnO的基本性质

氧化锌为两性氧化物，溶于酸、碱、氯化铵和氨水，不溶于水和乙醇。常温下为白色粉末，由无定形或针状小颗粒组成，高温下呈黄色，冷却后又恢复白色。

表3-1为ZnO在常温压下

2.3 ZnO纳米线的制备

材料的制备是性能研究的基础，目前制备纳米材料的方法有很多种。按制备时的物相可将其分为固相法、液相法和气相法，方法举例见表3-2。

表3-2 按物相分制备方法举例

根据生长和控制方式的不同，ZnO NW的制备方法有气相生长法、溶液生长法、模板生长法和自组装生长法。使用不同的制备方法、生长条件和工艺过程，所得到的ZnO NW形貌、结构差别很大，对其性能(如光电性能)的影响也很大。

2.3.1 气相生长法

气相法主要是指在制备过程中，源物质是气相或者通过一定的过程转化为气相。气相法制得的产物比较纯、直径较小、单分散性好、易得到超细的均匀线径，产率较高，但是反应条件苛刻，要求高温高能量，工艺技术复杂，能耗高，设备昂贵，成本较高。

根据其源物质转化为气相的途径和方式的不同，气相法主要包括气相沉积法、气相传输法、激光烧蚀法(LPA)、直接热蒸发法、分子束外延法(MBE)等。(1)气相沉积法

气相沉积法又可分为物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、脉冲激光沉积法(PLD)等。PVD是直接将高纯度的ZnO高温加热使其挥发并在预期的基底上沉积，不通过化学反应直接得到NW的方法。此法不使用任何催化剂或添加剂，产物纯净无杂质，但是生长效率和对产物形貌的控制稍差。CVD利用高温物理蒸发或有机金属化合物的气相反应，通过气体传输，可使反应物沉积到低温衬底上并生长为一维结构，生长过程一般遵循Wagner和Ellis提出的气-液-固法(VLS)生长机理，这是传统的生长一维材料的方法。在纳米线生长过程中，先形成催化剂金属(Au、Ag等)与纳米材料的低共熔合金液滴，此液滴吸收气相反应物形成晶核。液滴中反应物饱和时，纳米线开始生长，系统冷却后，合金液滴固化在纳米线的顶端。

(2)气相传输法

气相传输法是将位于源区的ZnO原料高温加热变为气体,传输至温度低的生长区实现晶体生长。一般源区须有足够高的温度以产生化学激活、高的气体压力以及保持源区与生长区足够大的温度梯度以增加气体传输效率。此外，生长区要有适当的温度以使沉积的原子具有高的扩散迁移率，实现单晶生长。生长机理主要是VLS和VS(气-固)机理。在710～820 ℃制得的是ZnO纳米线，生长机理为VLS。