半导体和纳米材料的制备方法

半导体晶体的生长及纳米材料的制备方法

晶体生长的方法1.1晶体生长方法的分类1.2单晶硅的生长方法2.半导体纳米材料的制备方法2.1物理方法2.1.1机械球磨法2.1.2加热蒸发法2.1.3磁控溅射法2.1.4静电纺丝法2.2化学方法2.2.1溶胶凝胶法2.2.2水热法2.2.3化学气相沉积法（CVD）2.2.4刻蚀法2.2.5电化学阳极氧化法2.2.6电沉积法2.2.7光照法1.1晶体生长方法分类晶体生长方法溶液生长法熔液生长法气相生长法固相生长法薄膜生长法降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝胶等提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂区熔，浮区，基座等真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相沉积等高压，再结晶等真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延，液相外延，离子注入，LB膜等晶体生长的方法单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZCzochralski）、区熔法（FZ,Float-Zone）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法：生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。区熔法：单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。外延片：主要用于集成电路领域。1.2单晶硅的生长方法直拉法的工艺过程1.籽晶熔接：

加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，又称“下种”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。直拉法的两个主要参数：拉伸速率，晶体旋转速率CZ法的改进工艺磁控拉晶法液封拉晶法

给坩埚内熔体施加水平或垂直磁场，抑制熔体的对流，达到消除对流条纹缺陷的目的。

在熔体的表面多了一层覆盖剂，通过覆盖剂密封可实现高压下拉晶，是制备大分解压化合物半导体单晶的理想方法。区熔法：区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。纳米粒子制备方法物理法化学法其他方法粉碎法构筑法气相反应法液相反应法湿式粉碎法干式粉碎法气体蒸发法活化氢-熔融金属反应法溅射法真空沉积法加热蒸发法混合等离子体法气相分解法气相合成法气-固反应法沉淀法水热法溶胶-凝胶法氧化还原法冻结干燥法喷雾法共沉淀法化合物沉淀法水解沉淀法2.半导体纳米材料的制备方法纳米材料的主要形式纳米粒子纳米线纳米带纳米膜纳米管纳米固体材料光催化机理简介：主要材料：TiO2,Cu2O,CdS,ZnO,Bi盐等……可见光的能量范围1.64-3.11eV有待解决的问题：1、怎样使材料在可见光范围响应2、怎样使载流子快速的转移3、怎么阻碍跃迁电子和空穴的复合使其有效的分离方法：1、制备纳米级材料2、材料复合3、掺杂锂离子电池机理简介：主要问题：1、导电性差2、容量低3、循环性差4、实际应用的成本解决办法：1、制备特殊结构的纳米级材料2、复合3、掺杂2.1物理方法

2.1.1机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。QianchengZhu,ShibiZeng,Yuying*(underpublishing)2.1.2加热蒸发法通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。2.1.3磁控溅射法磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百K直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。氩离子被阴极加速并轰击阳极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。2.1.4静电纺丝法静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。DingyouTangetc.J.Appl.Polym.Sci.2015,2,423262.2化学方法

2.2.1溶胶凝胶法溶胶--凝胶法(Sol--Gel法，简称SG法)就是以无机物或金属醇盐作前驱体，在液相将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。QianchengZhuetc.(madeforacompany)2.2.2水热法是指在密封的压力容器中，以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。水热法是一种非常常用，广泛的方法，几乎可以合成各种形貌的纳米结构材料，但是其条件难以控制，可重复性较差。水热法合成材料的影响因素：1、温度：温度对内部压强和反应程度影响很大2、时间：时间一般影响沉积的厚度3、溶剂：乙醇，乙二醇，丙三醇，一些表面活性剂等4、离子：F-，Cl-,S2-,OH-,H+,Na+,氨基等能和金属离子形成配位键的基团HaoHu,HaoyanCheng,ZhengfeiLiu,GuojianLi,QianchenZhu,andYingYu*,NanoLett.2015,15,5116−5123

LinGao,HaoHu,GuojianLi,QianchengZhuandYingYu*,Nanoscale,2014,6,6463–6467

QianchengZhu,HaoHu,GuojianLi,ChenboZhu,YingYu*

,ElectrochimicaActa156(2015)252–260

时间的影响：水热不同时间，二氧化锰沉积厚度不同离子浓度对形貌的影响：盐酸浓度对二氧化锰形貌的影响离子对形貌的影响：不同氯化钠浓度对二氧化钛片的结构的影响2.2.3化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。1.使用如硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四氯化硅(SiCl4)等含硅的小分子,使其在高温下裂解形成硅原子,并通过热力学和动力学等因素,控制结晶成核和晶体生长的过程,以获得硅纳米线等纳米结构。

中国科学:化学2013年第43卷第12期

2.高温隔氧条件下通入乙炔、乙烯、甲烷等有机气体可以在不同催化剂下生成碳纳米管、石墨烯等新貌。2.2.4刻蚀法刻蚀法应用广泛，其主要包括酸刻蚀、碱刻蚀，特殊离子刻蚀等酸刻蚀：碱刻蚀：AravaLeelaMohanaReddyetc.，NanoLett.,

2009,

9

(3),pp1002–10062.2.5电化学阳极氧化法金属或合金作为阳极在溶液中能被氧化形成氧化物，此时再采用刻蚀的办法可以制备形态较好的纳米材料（蜂窝煤状，管状）。其主要优点是形貌非常规则漂亮，但是局限性较大，需要探索出针对性的电解液才能做到。QianchengZhu,HaoHu,GuojianLi,ChenboZhu,YingYu*

,ElectrochimicaActa，

156(2015)252–260

2.2.6电沉积法金属或合金能从其化合物水溶