專利名稱：一種制備Ge納米管的方法
技術領域：
本發明屬于電子功能材料與器件領域，具體涉及一種采用氣相沉積制備Ge納米管的方法。
背景技術：
相變存儲器(PCM)主要是利用某些材料在特定的電流脈沖之下會具有快速且可逆的相變化效應，進而導致材料在某些特性上的穩定改變來達到存儲效果，此外其最終的狀態并不會隨著外加能量的消失而改變，因此具有非揮發性的特點。PCM技術憑借其在讀取速度、可靠度、非破壞性讀取、非揮發性、尺寸微小化以及成本方面的優勢，已被公認為最有潛力取代傳統的DRAM技術及Flash閃存技術成為主流的存儲器技術之一。此外，隨著信息技術產業對相變存儲器產品需求的日益增加，實現PCM cell與現有CMOS工藝集成是非常關鍵的，因此，也就急需進一步降低PCM cell的操作功耗。由于具有一維納米結構的材料的熔點與其塊體材料相比一般會降低20 40%，如果將相變存儲材料制備成一維納米線結構，這就有利于大大降低其讀，寫及擦除時的操作功耗。同時，可以極大的提高單元密度， 滿足大密度集成化的要求。因此，制備相變存儲材料的一維納米線就成為目前相變存儲器研究的一個重要方面。目前已有大量關于一維相變存儲材料納米線制備的研究報道。如文獻Jin Seok Lee et. al. , Vapor-Liquid-Solid and Vapor-Solid Growth of Phase-Change Sb2Te3 Nanowires and Sb2Te3/GeTe Nanowire Heterostructures, J. AM. CHEM. S0C. 2008, 130，6252-6258公開的Sb2Te3納米線與Sb2Te3/GeTe納米線異質結；文獻Yeonwoong Jung et. al. , Phase-Change Ge-Sb Nanowires :Synthesis, Memory Switching, and Phase-Instability, Nano Lett.，Vol. 9, No. 5，2009，2013-2018 公開的 Ge-Sb 納米線；Hee-Suk Chung et. al. , Epitaxial Growth and Ordering of GeTe Nanowires on Microcrystals Determined by Surface Energy Minimization, Nano Lett. , Vol. 9, No. 6，2009，2395-2401 公開的有序生長的 GeTe 納米線；Jun_Ku Ahn et. al.，Phase-Change InSbTe Nanowires Grown in Situ at Low Temperature by Metal Organic—Chemical Vapor Deposition, Nano Lett. 2010，10，472-477公開地采用有機金屬化學氣相沉積制備的InSbTe合金納米線。雖然目前關于相變存儲材料的納米線研究是相變存儲器研究的一個熱點之一，且已有大量的研究報道，但采用氣相沉積使用單一合金源一步獲得Ge納米管的方法尚未見到報道。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種采用氣相沉積使用單一合金源一步獲得Ge納米管的方法。本發明的發明人經過大量的實驗研究，發現在合適的工藝條件下，可以一步獲得Ge納米管。本發明所提供的一種制備Ge納米管的方法，包括如下步驟1)在Si基片上濺射一層Au薄膜；2)在水平管式爐的爐管中部放置蒸發源GeTe合金粉，將水平管式爐抽真空后，充入載氣使爐管內維持內壓為460 600Pa ；優選為460 550Pa ；3)將步驟1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向處，并對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至495-505°C，保溫；4)保溫結束后，停載氣并維持爐管內壓為110 130Pa，進行自然降溫。步驟1)中，所述Au薄膜可采用直流濺射法獲得，優選濺射電流為25mA，濺射時間為18 180s。所獲得的Au薄膜的厚度為1. 5 15nm ；優選為1. 5nm。步驟2)中，所述水平管式爐中部放置的蒸發源GeTe合金粉的質量為0. 01 0. 025g。所述水平管式爐抽真空至120 150Pa。所述GeTe合金粉中，Ge和Te的摩爾比為1:1。步驟2)中，所述載氣為氬氣和氫氣的混合氣體，其中所述氫氣占所述載氣體積總量的 4. 9-5. 1%。步驟3)中，所述水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向處是指，沿載氣的流動方向，所述濺射有Au薄膜的Si基片位于所述蒸發源的下方。較佳的，所述濺有Au薄膜的Si 基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為5 6cm處，優選為6cm。步驟3)中，當爐中部管溫升至495_505°C后，控制所述濺射有Au薄膜的Si基片的溫度為405 455°C。步驟3)中，所述保溫過程為先保溫3.5-4. 5min，然后將爐管整體向下風向拖動 2. 9-3. Icm,再保溫 25. 5-26. 5min。步驟4)中，降溫時采用停氣降溫的辦法，用機械泵維持管內壓力在110 130Pa。本發明的有益效果本發明提供了一種采用氣相沉積使用單一合金源一步獲得 Ge納米管的方法。該方法簡單易行，成本低廉。
圖1為Ge納米管場發射掃描電鏡照片。圖2為Ge納米管透射電鏡照片。圖3為Ge納米管的元素分析。(Ge 97. 83%, Te 2. 17% )圖4為Ge包覆GeTe納米線同軸異質結結構場發射掃描電鏡照片。圖5為Ge包覆GeTe納米線同軸異質結結構透射電鏡照片，插圖為高分辨透射電鏡照片。圖6為Ge包覆GeTe納米線同軸異質結結構的元素分析。(Ge :54. 48 %，Te 45. 52% )圖7為本發明所使用的水平管式爐的結構示意圖。圖8為實施例4所獲得產品的發射掃描電鏡照片。
具體實施方式
圖7為本發明所使用的水平管式爐的結構示意圖，圖中1為爐體，2為爐管，3為蒸發源，4為濺射有Au薄膜的Si基片，箭頭方向代表載氣流動方向。下列各實施例及對比例中所采用的爐體型號為ZF3K2-3-12，上海祖發科技生產。實施例1Ge納米管的制備方法如下(1)采用直流濺射在Si基片上濺射一層厚度為1. 5nm的Au薄膜；濺射電流為 25mA，濺射時間為18s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源GeTe(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為 0. 02g，將水平管式爐抽至壓力位150Pa，充入載氣(Ar和H2的混合氣體，其中H2占載氣總體積的5% )，充入載氣后爐管內壓為460Pa ；(3)將步驟(1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處距爐體邊緣6cm處，并對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至500°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至500°C時，此時控制基片處的溫度約為 455°C，先進行第一階段為時4min的保溫過程，此后將爐管整體向下風向拖動3cm，進行第二階段為時26min的保溫過程；(5)保溫時間結束后，停載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為130Pa的真空度，進行自然降溫，獲得Ge納米管。所制備的Ge納米管的場發射掃描電鏡照片如圖1所示，其透射電鏡照片與元素分析如圖2、3所示。由元素分析可知，所獲得的66納米管中工6:97.83%，1^:2.17% (原子數百分比)。由圖1、2可知，所制備的Ge納米管的長度為10-50 μ m，外徑為100_200nm，內徑為 70-170nm，管壁厚度約為30nm。實施例2Ge納米管的制備方法如下(1)采用直流濺射在Si基片上濺射一層厚度為15nm的Au薄膜；溉射電流為25mA， 濺射時間為180s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源GeTe(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為 0. 02g，將水平管式爐抽至壓力位120Pa，充入載氣(Ar和H2的混合氣體，其中H2占載氣總體積的5% )，充入載氣后爐管內壓為600Pa ；(3)將步驟(1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處距爐體邊緣5cm處，并對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至505°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至505°C時，此時控制基片處的溫度約為 405°C，先進行第一階段為時3. 5min的保溫過程，此后將爐管整體向下風向拖動3cm，進行第二階段為時25. 5min的保溫過程；(5)保溫時間結束后，停載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為IlOPa的真空度，進行自然降溫，獲得Ge納米管。所制備的Ge納米管經發射掃描電鏡、透射電鏡及元素分析可知所獲得的Ge納米管中，Ge :97.83%，Te :2. 17% (原子數百分比)。所制備的Ge納米管的長度為10 μ m以上，外徑為100-200nm，內徑為70_170nm，管壁厚度約為30nm。
實施例3Ge納米管的制備方法如下(1)采用直流濺射在Si基片上濺射一層厚度為1. 5nm的Au薄膜；濺射電流為 25mA，濺射時間為18s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源GeTe(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為 0. 02g，將水平管式爐抽至壓力位120Pa，充入載氣(Ar和H2的混合氣體，其中H2占載氣總體積的5% )，充入載氣后爐管內壓為550Pa ；(3)將步驟(1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處距爐體邊緣6cm處，并對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至495°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至495°C時，此時控制基片處的溫度約為 455°C，先進行第一階段為時4. 5min的保溫過程，此后將爐管整體向下風向拖動3cm，進行第二階段為時26. 5min的保溫過程；(5)保溫時間結束后，停載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為130Pa的真空度，進行自然降溫，獲得Ge納米管。所制備的Ge納米管經發射掃描電鏡、透射電鏡及元素分析可知所獲得的Ge納米管中，Ge :97.83%，Te :2. 17% (原子數百分比)。所制備的Ge納米管的長度為10 μ m以上，外徑為100-200nm，內徑為70_170nm，管壁厚度約為30nm。實施例4Ge納米管的制備方法如下(1)采用直流濺射在Si基片上濺射一層厚度為1. 5nm的Au薄膜；濺射電流為 25mA，濺射時間為18s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源GeTe(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為 0. 02g，將水平管式爐抽至壓力位150Pa，充入載氣(Ar和H2的混合氣體，其中H2占載氣總體積的5% )，充入載氣后爐管內壓為460Pa ；(3)將步驟(1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處距爐體邊緣5cm處，并對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至500°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至500°C時，此時控制基片處的溫度約為 455°C，先進行第一階段為時4min的保溫過程，此后將爐管整體向下風向拖動3cm，進行第二階段為時26min的保溫過程；(5)保溫時間結束后，停載氣，利用機械泵維持爐管內壓力為130Pa的真空度，進行自然降溫，獲得Ge納米管。所制備的Ge納米管經發射掃描電鏡(圖8)所獲得的Ge納米管中混有GeTe納米線，由元素分析可知Ge:74.89%，Te:25. 11% (原子數百分比)。所制備的Ge納米管的長度為10 μ m以上，外徑為100-200nm，內徑為70_170nm，管壁厚度約為30nm。對比例Ge包覆GeTe納米線同軸異質結的制備(1)采用直流濺射在Si基片上濺射一層厚度為1. 5nm的Au薄膜；濺射電流為 25mA，濺射時間為18 180s ；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源GeTe(Ge和Te的摩爾比為1 1)，質量為0. 02g，將水平管式爐抽至150Pa，充入載氣(Ar和H2的混合氣體，其中H2占載氣總體積的 5% )，充入載氣后管內壓為IlOOPa ；(3)將步驟(1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處距爐體邊緣3. 5cm處，并對水平管式爐中部進行加熱500°C ；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至500°C時，此時基片處的溫度約為353°C，先進行第一階段為時4min的保溫過程，此后將爐管整體向下風向拖動3cm，進行第二階段為時26min的保溫過程；(5)保溫時間結束后，停載氣，利用機械泵維持130Pa真空度，進行自然降溫，獲得 Ge包覆GeTe納米線同軸異質結。所制備的Ge包覆GeTe納米線同軸異質結結構場發射掃描電鏡照片如圖4所示， 其透射電鏡照片與元素分析如圖5、6所示。由元素分析可知，所獲得的Ge包覆GeTe納米線同軸異質結中，Ge 54. 48%, Te 45. 52% (原子數百分比)。由圖4、5可知，所制備的Ge包覆GeTe納米線同軸異質結結構納米線的長度為 10-100 μ m，直徑為 100-200nm。
權利要求
1.一種制備Ge納米管的方法，包括如下步驟1)在Si基片上濺射一層Au薄膜；2)在水平管式爐的爐管中部放置蒸發源GeTe合金粉，將水平管式爐抽真空后，充入載氣使爐管內維持內壓為460 600Pa ；3)將步驟1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向處，并對水平管式爐中部的蒸發源進行加熱至495-505°C，保溫；4)保溫結束后，停載氣并維持爐管內壓為110 130Pa，進行自然降溫。
2.如權利要求1所述的制備Ge納米管的方法，其特征在于，步驟1)中，所述Au薄膜的厚度為1. 5 15nm。
3.如權利要求1所述的制備Ge納米管的方法，其特征在于，步驟1)中，所述水平管式爐抽真空至120 150Pa。
4.如權利要求1所述的制備Ge納米管的方法，其特征在于，步驟2)中，所述載氣為氬氣和氫氣的混合氣體，其中所述氫氣占所述載氣體積總量的4. 9-5. 1%。
5.如權利要求1所述的制備Ge納米管的方法，其特征在于，步驟3)中，所述濺有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐的爐管中蒸發源的下風向且距爐體邊緣為5 6cm處。
6.如權利要求1所述的制備Ge納米管的方法，其特征在于，步驟3)中，當爐中部管溫升至495-505°C后，控制所述濺射有Au薄膜的Si基片的溫度為405 455°C。
7.如權利要求1所述的制備Ge納米管的方法，其特征在于，步驟3)中，所述保溫過程為先保溫3. 5-4. 5min，然后將爐管整體向下風向拖動2. 9-3. lcm，再保溫25. 5-26. 5min。
全文摘要
本發明涉及一種制備Ge納米管的方法，包括如下步驟(1)在Si基片上濺射一層Au薄膜；(2)在水平管式爐中部放置蒸發源，將水平管式爐抽至一定真空度后，充入載氣使爐管內維持一定的內壓；(3)將步驟(1)中制備的濺射有Au薄膜的Si基片放置在水平管式爐下風向處，并對水平管式爐中部進行加熱至預定溫度；(4)在步驟(3)中，當爐中部管溫升至預定溫度后，進行一定時間的保溫；(5)保溫時間結束后，停載氣，利用機械泵維持一定的真空度，進行自然降溫。本發明利用氣相沉積的方法在特定的工藝下，可穩定的獲得Ge納米管。
文檔編號C30B29/46GK102260905SQ20111020258
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者尚飛, 沈波, 翟繼衛 申請人:同濟大學