形成納米線陣列的上電極的方法以及具有所形成的上電極的納米線陣列的制作方法
【專利摘要】本發明涉及形成納米線陣列的上電極的方法以及具有所形成的上電極的納米線陣列。更具體地，根據本發明的方法包括以下步驟：設置聚合物薄膜、施壓、混合溶液處理、蝕刻以及沉積電極材料，從而使得可以以其中聚合物薄膜形成在納米線的一部分上的狀態可靠地形成上電極。從而使得可以實現基于在大尺寸的硅襯底上排列的納米線陣列的各種納米器件。
【專利說明】形成納米線陣列的上電極的方法以及具有所形成的上電極的納米線陣列
【技術領域】
[0001]本發明涉及形成納米線陣列的上電極的方法以及其上形成有上電極的納米線陣列，并且更具體地，涉及以下形成納米線陣列的上電極的方法以及其上形成有上電極的納米線陣列，該方法通過在納米線陣列的頂部上形成聚合物薄膜層以從而在納米線陣列上形成上電極而能夠形成納米線陣列，該納米線陣列可被用作利用納米線的大比表面積的傳感器以及例如光電器件的先進納米器件。
【背景技術】
[0002]過去，由于源于其獨特的電、物理、和化學性質以及對例如高科技電子器件、生化傳感器、光電器件和未來的能源器件等各種下一代納米器件的實用性的科學研究的重要性，一維納米線已經受到了許多研究者的關注。因此，已經對能夠制造各種材料并且形成納米線的技術進行了深入地探究。特別地，在其中納米線對具有大面積的硅襯底的表面以任意角度以陣列形式排列的結構提供了能夠增大納米線的長徑比和集成度的機會，使得可以最大限度地利用納米線的比表面積并且可以增加納米器件的效率。因此，近來已對制造具有上述結構的基于納米線的器件做出了努力。
[0003]另外，為了將基于納米線的器件投入實際使用，對在大面積上排列的納米線中的每一根的物理和化學性質進行了有效地聚集，使得應該實現器件的適當性能。為此，應該在先開發以下技術:在具有大面積的硅襯底的表面上排列的所有納米線可以是均勻地而且與下電極和上電極穩固地接觸并且是可以集成的。另外，還應該開發能夠有效地分析并且評估器件的性能的技術。然而，利用相關技術難以在大面積上以均勻的長度生長具有高集成度的納米線陣列。同樣，在納米線陣列上形成可靠的電極也存在技術限制。為此，到目前為止為了使用納米線制造器件，主要使用了如下方法:通過光刻工藝圖案化電極以從而使其與平行地分散在硅襯底上的納米線接觸。最近，已提出了通過使用光刻預先形成的橋的形式在上電極和下電極上選擇性地生長納米線而形成納米線的電極接觸的報道。然而，上述方法具有復雜的制造工藝和高成本以及集成度的限制。
[0004]最廣泛使用的方法是以下方法:其中選擇性地僅暴露納米線的尖端部分以從而通過如下方法形成與所期望金屬或半導體材料的接觸:即，在生長在硅襯底上的納米線陣列上模制聚合物絕緣體然后通過氧等離子體工藝蝕刻該聚合物。然而，在上述方法中，因為整個納米線表面完全被聚合物材料涂覆，所以難以用作利用納米線的大比表面積的傳感器以及高科技納米器件(例如光電器件)。另外，在其中納米線陣列的長徑比增大的情況下，因為納米線在聚合物模制過程中彼此粘接并且破壞了排列的結構，所以難以應用上述工藝。
[0005]因此，為了將基于納米線的器件投入實際使用，需要開發能夠經濟地制造具有高長徑比的納米線的擴展陣列的技術以及形成具有優異的可靠性而不損失納米線陣列的大比表面積的上電極和下電極的技術。
[0006]韓國專利公開公報第2012-0010465號(題目為“排列納米線的方法”)中公開了與此有關的相關技術。
【發明內容】
[0007]技術問題
[0008]本發明的目的是提供一種形成納米線陣列的上電極的方法以及一種其上形成有上電極的納米線陣列，該方法通過形成上電極以在暴露狀態下保持納米線陣列的結構并且納米線的表面具有可靠性，能夠實現基于在具有大面積的硅襯底上排列的納米線陣列的各種納米器件。
[0009]技術解決方案
[0010]在一個一般方面中，一種在納米線陣列10上形成上電極的方法，在該納米線陣列中將多根納米線11布置在具有平板形狀的硅襯底20上，該方法包括:設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)，加熱納米線陣列10并且在經加熱納米線陣列10上設置聚合物薄膜層40 ;施壓步驟(S20)，向在設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)中設置在納米線陣列10上的聚合物薄膜層40施加壓力；混合溶液處理步驟(S30)，將具有壓到其上的聚合物薄膜層40的納米線陣列10浸入混合溶液中并且去除聚合物薄膜層40的一部分；蝕刻步驟(S40)，蝕刻聚合物薄膜層40使得納米線11的一部分穿過聚合物薄膜層40并且暴露于外部；以及沉積電極材料的步驟(S50)，在蝕刻步驟(S40)中暴露于外部的納米線11上沉積電極材料50。
[0011]聚合物薄膜層40可以被形成為包括聚合物層41以及設置在聚合物層41上的鋁層42，并且聚合物層41可以由熱塑性聚合物形成。
[0012]在混合溶液處理步驟(S30)中，混合溶液可以是CuCl2 -H2O和HCl的混合溶液，并且可以將聚合物薄膜層40的鋁層42去除。
[0013]該方法還可以包括在設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)之前的將納米線11豎直排列的豎直排列步驟(S60)。
[0014]在施壓步驟(S20)中，可以對聚合物薄膜層40施壓10秒或更短。
[0015]在設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)中，可以將納米線陣列10加熱到形成聚合物層41的熱塑性聚合物的玻璃化轉變溫度的±10°C的范圍內的溫度。
[0016]在蝕刻步驟(S40)中，可以通過氧等離子體設備蝕刻聚合物薄膜層40。
[0017]在沉積電極材料的步驟(S50)中，電極材料50可以是金。
[0018]在另一個一般方面中，通過形成納米線陣列的上電極的方法而形成其上形成有上電極的納米線陣列。
[0019]有益效果
[0020]根據本發明的形成納米線陣列的上電極的方法不僅可以將限制于單根納米線的基于納米線的器件的制造技術擴展到制造基于大面積納米線陣列的器件，而且還可以將器件的性能分析從單根納米線擴展到以納米線陣列形式的整體性能分析。
[0021]另外，根據本發明的形成納米線陣列的上電極的方法以及其上具有通過形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列，不在整個納米線上而在納米線的一部分上形成聚合物薄膜層，由于可以利用大比表面積，所以形成納米線上電極的方法以及其上具有上電極的納米線陣列可以通常用于寬范圍的基于納米線的器件，例如高科技電子器件、熱電器件、壓電器件、太陽能電池、傳感器和光電器件等。
[0022]另外，因為根據本發明的形成納米線陣列的上電極的方法不包括需要大量成本和時間的光刻工藝，所以該方法可以是經濟的并且可以簡化操作時間和工藝，并且因為形成在納米線陣列的一部分上的聚合物薄膜層支承相應的納米線，所以即使在后續過程中納米線陣列也可以持續保持排列的陣列結構。
[0023]另外，因為根據本發明的形成納米線陣列的上電極的方法以及其上具有通過形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列可以防止由于其他材料的沉積而污染納米線的表面，所以可以獲得具有高質量的納米線。
[0024]另外，根據本發明的形成納米線陣列的上電極的方法以及其上具有通過形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列可以均勻地與所有納米線接觸，使得可以同時聚集納米線的每一根的物理和化學性質并且還可以增大器件的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是示出了根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法的流程圖；
[0026]圖2是示出了根據本發明的另一實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法的流程圖；
[0027]圖3是示出了納米線陣列的透視圖，其中在根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法中進行設置聚合物薄膜層的步驟；
[0028]圖4是示出了納米線陣列的透視圖，其中在根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法中進行施壓步驟；
[0029]圖5是示出了納米線陣列的透視圖，其中在根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法中進行混合溶液處理步驟；
[0030]圖6是示出了納米線陣列的透視圖，其中在根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法中進行蝕刻步驟；
[0031]圖7是示出了納米線陣列的透視圖，該納米線陣列具有在根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法中通過進行沉積電極材料步驟而形成的上電極；
[0032]圖8是示出了通過分析具有上電極的納米線的電性能而獲得的結果的曲線圖，所述上電極通過根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法而形成；以及
[0033]圖9是示出了通過分析具有上電極的納米線陣列的電性能而獲得的結果的曲線圖，所述上電極通過根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法而形成。
【具體實施方式】
[0034]納米線陣列10是通過在具有平板形狀的硅襯底20上布置多根納米線11而形成，并且還包括其中形成有多個孔的金屬薄膜30，納米線11穿過該多個孔。本發明涉及形成納米線陣列的上電極的方法以及其上形成有上電極的納米線陣列10，并且在下文中，將參照附圖具體描述形成納米線陣列的上電極的方法以及具有根據本發明的實施方案的具有上述配置的其上形成有上電極的納米線陣列10。
[0035]圖1是示出了根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法的流程圖，并且圖2是示出根據本發明的另一實施方案的形成納米線陣列的上電極的流程圖，而且將參照圖1和圖2具體描述根據本發明的實施方案的形成納米線陣列10的上電極的方法。
[0036]如圖1所示，根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法通常包括:設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)、施壓步驟(S20)、混合溶液處理步驟(S30)、蝕刻步驟(S40)和沉積電極材料的步驟(S50)。
[0037]圖3是示出了納米線陣列的透視圖，其中進行設置聚合物薄膜層步驟(SlO)，并且將參照圖3具體描述設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)。設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)是加熱納米線陣列10并且在經加熱納米線陣列10上設置聚合物薄膜層40的步驟。
[0038]此外，聚合物薄膜層40被配置成包括聚合物層41和形成在聚合物層41上的鋁層42。聚合物薄膜層40是通過使用聚合物材料對鋁箔進行旋涂處理而形成并且聚合物材料優選為熱塑性聚合物。即，聚合物層41由熱塑性聚合物形成。
[0039]根據本發明的實施方案的聚合物薄膜層40通過使用作為熱塑性聚合物的聚苯乙烯在5000rpm的速率下對鋁箔進行60秒的旋涂處理而形成，并且將聚合物薄膜層40形成為具有1.3 μ m的厚度。另外，除了聚苯乙烯之外，聚合物層41可以由在不脫離本發明的目的的情況下的各種材料形成，只要它是熱塑性聚合物即可，例如，聚甲基丙烯酸甲酯等。
[0040]另外，在設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)中，優選的是，將納米線陣列10加熱到用于形成聚合物層41的熱塑性聚合物的玻璃化轉變溫度的±10°C的范圍內的溫度。根據本發明的實施方案的聚合物層41是由聚苯乙烯形成的，并且因為聚苯乙烯具有101°C的玻璃化轉變溫度，所以最優選的是將聚苯乙烯加熱到95°C或更高至110°C或更低的溫度。
[0041]S卩，在其中納米線陣列10的溫度超過110°C的情況下，因為可將聚合物薄膜層40快速地形成高至納米線11的下側部分，所以優選的是將納米線陣列10加熱到95°C或更高至11 (TC或更低的溫度。
[0042]圖4是示出了納米線陣列10的透視圖，其中進行施壓步驟(S20)，并且將參照圖4描述施壓步驟(S20)。施壓步驟(S20)是通過向聚合物薄膜層40施加壓力將聚合物薄膜層40壓到納米線陣列10的步驟。在施壓步驟(S20)之后，聚合物薄膜層40部分地形成在納米線11上。
[0043]在這種情況下，優選地是向聚合物薄膜層40施加均勻壓力10秒或更短。在根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法中的施壓步驟(S20)中，向聚合物薄膜層40施加lON/cm2的均勻壓力10秒或更短，并且作為施壓步驟(S20)的結果，聚合物薄膜層40形成在納米線11之上800nm處。
[0044]圖5是示出了納米線陣列10的透視圖，其中進行混合溶液處理步驟(S30)，并且將參照圖5描述混合溶液處理步驟(S30)。混合溶液處理步驟(S30)是將其上具有經施壓聚合物薄膜層40的納米線陣列10浸入混合溶液中并且去除聚合物薄膜層40的一部分的步驟。
[0045]在這種情況下，該混合溶液可以是去除聚合物薄膜層40的鋁層42的CuCl2.H2O和HCl的混合溶液。如圖5所示，在混合溶液處理步驟(S30)之后，聚合物薄膜層40的鋁層42被去除，并且形成了其中聚合物層41部分地形成在納米線11上的狀態。
[0046]圖6是示出了納米線陣列10的透視圖，其中進行蝕刻步驟(S40)，并且將參照圖6具體描述蝕刻步驟(S40)。蝕刻步驟(S40)是蝕刻聚合物薄膜層40使得納米線11的一部分穿過聚合物薄膜層40并且暴露于外部的步驟。
[0047]在這種情況下，可以通過氧等離子體設備蝕刻納米線11，并且除了氧等離子體設備之外，可以在不脫離本發明的目的的情況下對蝕刻納米線11的裝置進行各種修改。
[0048]根據本發明的實施方案，在蝕刻步驟(S40)中，通過氧等離子裝置在45W的等離子體產生功率和0.15毫巴的氧分壓下對聚合物薄膜層40進行3分鐘的蝕刻，并且作為蝕刻步驟(S40)的結果，可以看出，露出了納米線11之上400nm。
[0049]圖7是示出了具有通過進行沉積電極材料的步驟(S50)形成的上電極的納米線陣列10的透視圖，并且將參照圖7描述沉積電極材料的步驟(S50)。沉積電極材料的步驟(S50)是在納米線11上以及在蝕刻步驟(S40)中暴露于外部的納米線11上沉積電極材料50的步驟。
[0050]在這種情況下，為了使得在納米線11與通過沉積電極材料50形成的電極之間形成電阻性接觸，電極材料50可以是金，并且除了金之外可以在不脫離本發明的目的的情況下進行各種修改。另外，在根據本發明的實施方案的沉積電極材料的步驟(S50)中，上電極由厚度為200nm的金形成。
[0051]另外，如圖2的流程圖所示，形成納米線陣列的上電極的方法還可以包括在設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)之前進行的豎直排列步驟(S60)。納米線陣列10具有豎直排列的結構，這種結構因為在制造過程中由于在干燥過程期間的表面張力納米線11形成束而被破壞。因此，豎直排列步驟(S60)是將納米線11豎直排列的步驟，在該步驟中使用液態二氧化碳超臨界干燥裝置將納米線11豎直排列。
[0052]圖8是示出了通過分析單根納米線的電性能而獲得的結果的曲線圖，圖9是示出了通過分析具有通過根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列10的電性能而獲得的結果的曲線圖。將參照圖8和圖9描述具有通過根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列10的電性能。
[0053]圖8是示出了通過在水平地設置在硅襯底上的單根納米線的兩端處的光刻工藝圖案化電極材料(Au)進而分析納米線的電性能而獲得的結果的曲線圖，并且圖9是示出了通過分析具有通過形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列10的電性能而獲得的結果的曲線圖，其中使用通常所使用的半導體參數分析儀(Keithley)作為分析設備。
[0054]圖8和9是示出了取決于電壓V的電流I的曲線圖，其中圖9示出了作為形成納米線陣列10的原材料的基礎材料硅襯底的電性能以及納米線陣列10的電性能的曲線圖。
[0055]參照圖8和圖9，納米線11、納米線陣列10和硅襯底20都示出了電流對于所施加的電壓是線性增大的，并且因此，可以理解，三個部分都形成了電阻性接觸。
[0056]另外，根據曲線圖，測量單根納米線11的電阻為約15.6 Ω cm，該值表示與用于制造納米線11的基礎材料硅襯底本身的電阻相似的值。從曲線圖可以理解納米線陣列10也具有與硅襯底20的電導率相似的電導率。
[0057]因此，參照圖8和圖9可以理解，具有通過根據本發明的實施方案的形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極的納米線陣列10在大面積上排列以有效地聚集每一根納米線11的物理和化學性質，從而使得可以實現器件的適當性能。
[0058]S卩，根據本發明的形成納米線陣列的上電極的方法以及其上形成有上電極的納米線陣列10可以將被限制于單根納米線11的基于納米線的器件的制造技術擴展到制造基于大面積納米線陣列的器件，這可以用于寬范圍的基于納米線的器件，例如，高科技電子器件、能量器件、傳感器和光電器件等。
[0059]本發明不限于上面提到的實施方案，而是可以進行各種應用，并且本發明所屬的領域的技術人員可以在不脫離在權利要求中所要求保護的本發明的要旨的情況下進行各種修改。
[0060]主要元件的詳細說明
[0061]10:納米線陣列11:納米線
[0062]20:娃襯底
[0063]30:金屬薄膜
[0064]40:聚合物薄膜層41:聚合物層
[0065]42:招層
[0066]50:電極材料
【權利要求】
1.一種形成納米線陣列的上電極的方法，在所述納米線陣列中將多根納米線(11)布置在具有平板形狀的硅襯底(20)上，所述方法包括: 設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)，加熱所述納米線陣列(10)并且在經加熱納米線陣列(10)上設置聚合物薄膜層(40)； 施壓步驟(S20)，向在設置所述聚合物薄膜層的步驟(SlO)中設置在所述納米線陣列(10)上的所述聚合物薄膜層(40)施加壓力； 混合溶液處理步驟(S30)，將其上具有經施壓的所述聚合物薄膜層(40)的所述納米線陣列(10)浸入所述混合溶液中并且去除所述聚合物薄膜層(40)的一部分； 蝕刻步驟(S40)，蝕刻所述聚合物薄膜層(40)使得所述納米線(11)的一部分穿過所述聚合物薄膜層(40)并且暴露于外部；以及 沉積電極材料的步驟(S50)，將電極材料(50)沉積在所述蝕刻步驟(S40)中暴露于外部的所述納米線(11)上。
2.根據權利要求1所述的方法，其中將所述聚合物薄膜層(40)形成為包括聚合物層(41)以及設置在所述聚合物層(41)上的鋁層(42)。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述聚合物層(41)由熱塑性聚合物形成。
4.根據權利要求2所述的方法，其中在所述混合溶液處理步驟(S30)中，所述混合溶液是CuCl2.H2O和HCl的混合溶液，并且去除所述聚合物薄膜層(40)的所述鋁層(42)。
5.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)之前將所述納米線(11)豎直排列的豎直排列步驟(S60)。
6.根據權利要求1所述的方法，其中在所述施壓步驟(S20)中，對所述聚合物薄膜層(40)施壓10秒或更短。
7.根據權利要求3所述的方法，其中在所述設置聚合物薄膜層的步驟(SlO)中，將所述納米線陣列(10)加熱到形成所述聚合物層(41)的所述熱塑性聚合物的玻璃化轉變溫度的±10°C的范圍內的溫度。
8.根據權利要求1所述的方法，其中在所述蝕刻步驟(S40)中，通過氧等離子體設備蝕刻所述聚合物薄膜層(40)。
9.根據權利要求1所述的方法，其中在所述沉積電極材料的步驟(S50)中，所述電極材料(50)是金。
10.一種納米線陣列，所述納米線陣列具有通過根據權利要求1至9中任一項所述的形成納米線陣列的上電極的方法而形成的上電極。
【文檔編號】H01B5/14GK104246912SQ201280072568
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年3月22日
【發明者】李 雨, 韓 熙 申請人:韓國標準科學研究院