一种磁控溅射沉积制备纳米线的方法

本发明涉及纳米线制备，具体涉及一种磁控溅射制备纳米线的方法。

背景技术：

1、纳米线是一类具有较大长径比的一维纳米结构材料。由于其具有较大的比表面积、明显的尺寸效应以及独特的电学、光学和表面性质，纳米线在光电探测器、太阳能电池、传感器、发光器件、场发射器件以及微纳电子器件等领域具有广泛的应用前景。特别是对于半导体纳米线而言，其直径、长度、取向、结晶状态以及在衬底表面的分布均会对材料和器件性能产生重要影响。因此，在衬底表面实现大面积、快速且取向可控的纳米线，是纳米材料制备领域的重要技术方向之一。

2、目前，纳米线的制备方法主要包括物理气相沉积法等方法。物理气相沉积法具有沉积速率较高、材料适用范围广、工艺相对简单以及易于进行大面积沉积等优点。其中，磁控溅射法已被广泛用于金属、半导体及化合物材料的薄膜制备。磁控溅射过程中，由等离子体产生的离子轰击靶材，使靶材原子或粒子从靶面逸出，并经过气相输运后沉积于衬底表面。通过调节溅射功率、工作气压、气体组成、靶基距离及衬底温度等工艺参数，可以调节沉积材料的成分、结晶状态和微观结构。

3、公开号为cn122658734a中国专利文献，公开了一种高性能柔性透明导电薄膜及其制备方法，可知现有技术利用磁控溅射法形成连续或近连续薄膜。在通常的沉积条件下，到达衬底表面的生长物种在衬底表面发生吸附、成核、岛状生长以及晶粒合并，随着沉积过程持续进行，各晶核在横向和纵向同时生长，并逐渐形成连续膜层或近连续膜层。

4、现有技术中通常需要结合催化剂、预制纳米结构、模板、图形化衬底、特殊晶体衬底或者较高的衬底温度等条件，以促进特定位置的成核或特定晶向的择优生长。上述附加工艺不仅增加了制备步骤，而且可能限制可选衬底材料及沉积面积。例如，对于玻璃等非晶衬底而言，由于缺少能够提供晶格匹配和择优取向的晶体表面，在较低衬底温度条件下无法直接获得大面积、高长径比且具有明显取向的纳米线。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何通过磁控溅射法直接在衬底形成纳米线，无需催化剂、生长模板、掩模版或图形化预处理衬底。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、本发明提供了一种磁控溅射沉积制备纳米线的方法，在磁控溅射装置的沉积区域内设置靶材和衬底，衬底与靶材间隔设置，在衬底上设置与衬底电绝缘的偏压电极，偏压电极与电源连接，并在形成等离子体的磁控溅射沉积过程中通过电源向偏压电极施加偏压，使得偏压电极在衬底上形成电学边界，调控衬底沉积区域的等离子体状态和/或带电粒子的输运状态，使得靶材的沉积物在衬底上形成垂直于衬底表面的纳米线。

4、有益效果：本发明利用设置在衬底上的偏压电极改变磁控溅射沉积过程中衬底沉积区域的等离子体和/或带电粒子的输运状态，使原本倾向于形成连续薄膜的磁控溅射沉积过程转变为能够直接形成一维纳米结构的生长过程，从而提供了一种工艺简单、无需催化剂、生长模板、掩模版、图形化预处理衬底、适于快速制备纳米线的方法。

5、优选的，偏压电极围绕衬底的沉积区域连续设置或间断设置，在衬底上形成环形或多边形。

6、优选的，电源包括直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或多种。

7、优选的，偏压为+20~+70v。

8、更优选的，偏压为+40~+60v。

9、优选的，靶材与衬底的间隔为8~15cm。

10、优选的，衬底为绝缘衬底。

11、更优选的，绝缘衬底为玻璃衬底、钠钙玻璃衬底或硼硅玻璃衬底中的一种。

12、优选的，靶材为半导体材料。

13、优选的，半导体材料包括cds、zns、cdse、znse、cdte中的一种或多种。

14、更优选的，靶材为cds。

15、优选的，磁控溅射沉积过程中对衬底进行加热，加热温度为20~400℃。

16、有益效果：本发明对衬底进行加热，使其保持在有利于沉积物种表面扩散和晶体择优生长。

17、优选的，包括以下步骤：在磁控溅射装置的沉积区域内设置靶材和衬底，衬底与靶材间隔设置；在衬底上设置与衬底电绝缘的偏压电极，偏压电极与电源连接，对沉积区域抽真空并通入工作气体，沉积区域内形成用于磁控溅射沉积的等离子体；通过电源向偏压电极施加偏压，调控衬底沉积区域的等离子体状态和/或带电粒子的输运状态，通过磁控溅射沉积使得来自靶材的沉积物输运至衬底表面，在偏压电极形成的电学边界下改变靶材在衬底表面的生长行为，使得靶材在衬底表面沿垂直于衬底生长形成纳米线。

18、有益效果：本发明无需利用掩模版限定纳米线生长区域，也无需通过光刻等微纳加工方法预先形成纳米线图形，更无需使用催化剂和生长模版，能够简化纳米线制备工艺，并实现快速制备纳米线。

19、优选的，磁控溅射包括直流磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射、脉冲直流磁控溅射或高功率脉冲磁控溅射中的一种。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、1.无需掩模版直接生长纳米线。本发明无需通过掩模版、光刻、电子束曝光或其他图形化工艺限定纳米线生长位置，能够直接利用磁控溅射沉积在衬底表面形成纳米线，显著减少纳米线制备步骤。

22、2.有利于实现大面积生长。偏压电极设置于衬底的沉积区域外围，通过调控衬底沉积环境促进纳米线生长，不依赖逐点加工或局部纳米图形，能够在较大面积衬底上形成纳米线。

23、3.生长速度快且易于规模化。本发明能够利用磁控溅射装置进行纳米线制备，兼具磁控溅射沉积速率较高、设备成熟和易于扩大沉积面积等特点，有利于纳米线的规模化生产。

24、4.无需预制纳米级催化剂。本发明能够在不预先设置催化剂或纳米级成核颗粒的情况下实现纳米线直接生长，从而降低催化剂污染风险，并简化衬底预处理过程。

25、5.无需生长模板。本发明不依赖多孔氧化铝等具有预制纳米孔道的生长模板限制纳米线形貌，因此无需进行模板制备、填充及后续模板去除。

26、6.本发明能够在非晶衬底上直接形成取向纳米线。本发明通过偏压电极对沉积环境进行调控，在玻璃等缺少晶格匹配关系的非晶衬底上促进一维择优生长，从而降低纳米线生长对单晶衬底的依赖。

27、7.纳米线取向性良好。在磁控溅射沉积下通过偏压电极形成的电学边界能够使得靶材在衬底中形成纳米线，并沿垂直于衬底表面的方向生长，从而获得大面积取向纳米线。

1.一种磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，在磁控溅射装置的沉积区域内设置靶材和衬底，衬底与靶材间隔设置，在衬底上设置与衬底电绝缘的偏压电极，偏压电极与电源连接，并在形成等离子体的磁控溅射沉积过程中通过电源向偏压电极施加偏压，使得偏压电极在衬底上形成电学边界，调控衬底沉积区域的等离子体状态和/或带电粒子的输运状态，使得靶材的沉积物在衬底上形成垂直于衬底表面的纳米线。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，偏压电极围绕衬底的沉积区域连续设置或间断设置，在衬底上形成环形或多边形。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，电源包括直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，偏压为+20~+70v。

5.根据权利要求2所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，靶材与衬底的间隔为8~15cm。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，衬底为绝缘衬底。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，靶材为半导体材料。

8.根据权利要求7所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，半导体材料包括cds、zns、cdse、znse、cdte中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，磁控溅射沉积过程中对衬底进行加热，加热温度为20~400℃。

10.根据权利要求1-9任一项所述的磁控溅射沉积制备纳米线的方法，其特征在于，包括以下步骤：在磁控溅射装置的沉积区域内设置靶材和衬底，衬底与靶材间隔设置；在衬底上设置与衬底电绝缘的偏压电极，偏压电极与电源连接，对沉积区域抽真空并通入工作气体，沉积区域内形成用于磁控溅射沉积的等离子体；通过电源向偏压电极施加偏压，调控衬底沉积区域的等离子体状态和/或带电粒子的运动状态，通过磁控溅射沉积使得来自靶材的沉积物输运至衬底表面，在偏压电极形成的电学边界下改变靶材在衬底表面的生长行为，使得靶材在衬底表面沿垂直于衬底生长形成纳米线。