在纳米线侧壁生长量子点的复合纳异质结构的制备方法

摘要

本发明公开了一种在纳米线侧壁生长量子点的复合纳异质结构的制备方法，涉及纳米工程领域。所述方法采用MOCVD设备，具体包括步骤：在衬底上沉积纳米金属颗粒或者金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒；以纳米合金颗粒作为催化物，沿与衬底相垂直的方向生长纳米线；结束纳米线的轴向生长，在纳米线的侧壁上生长单层或者多层量子点。所述方法采用MOCVD设备，直接在六棱柱形的纳米线的侧壁上生长量子点，简化了现有制备方法的繁琐步骤，并且降低了制备成本；同时，所述方法通过在量子点的外面覆盖与纳米线相同材料的薄膜，可以在纳米线的侧壁生长多层量子点，使得到的复合纳异质结构性能更佳，在新一代的纳米光电子器件中具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米工程技术领域，特别涉及一种在纳米线侧壁生长 量子点的复合纳异质结构的制备方法。

背景技术

近年来，半导体纳米线以其独特的结构和新颖的性能受到了人们 的广泛关注。已问世的纳米激光器、场效应管、发光二极管、太阳能 电池和数据存储设备等纳米光电子和纳米电子器件展现出广阔的应 用前景。作为高性能纳米光电子器件的重要结构单元，纳米线异质结 构成为当前研究的热点，其中纳米线轴向异质结、核壳异质结以及单 核多壳异质结的研究最为广泛。

最近，将纳米线和量子点结合起来的纳米复合结构的研究也逐渐 兴起。Claudon.J等人将单个量子点嵌入纳米线中成功制备了单量子 点纳米线发光二极管，它同时也是一种高效的单光子源。Nadarajah.A 等人在阵列纳米线的间隙中填充量子点制作的太阳能电池将能量转 换效率提高到了1％左右。上述两项研究成果有力地体现了将纳米线 和量子点结合起来的巨大优势。

但是，目前的纳米复合结构制备方法还存在着步骤繁琐的缺陷， 比如2010年Uccelli.E等人利用MBE(Molecular Beam Epitaxy，分 子束外延)设备首先在GaAs衬底上自催化生长出GaAs纳米线，然 后外延出AlAs壳层，最后在AlAs壳层的侧面进行InAs量子点的制 备。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种在纳米线侧壁生长量 子点的复合纳异质结构的制备方法，以克服现有制备方法步骤繁琐的 缺陷，简化制备步骤。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种在纳米线侧壁生长量子点 的复合纳异质结构的制备方法，包括步骤：

A：在衬底上沉积纳米金属颗粒或者金属薄膜，退火后形成纳米 合金颗粒；

B：以所述纳米合金颗粒作为催化物，沿与所述衬底相垂直的方 向生长纳米线；

C：结束所述纳米线的轴向生长，在所述纳米线的侧壁上生长单 层或者多层量子点。

优选地，所述步骤C中，在所述纳米线的侧壁上生长多层量子点， 具体包括步骤：

S1：在所述纳米线的侧壁上生长一层所述量子点；

S2：在所述量子点的外面覆盖一层与所述纳米线的材料相同的薄 膜；

S3：在所述薄膜的外面生长一层所述量子点；

S4：重复执行所述步骤S2～S3，直至所述量子点的层数达到预定 值。

优选地，所述量子点采用III-V族化合物半导体材料。

优选地，所述量子点采用InAs晶体或者In_xGa_1-xAs晶体，其中， 0.4≤x≤1。

优选地，所述纳米线采用III-V族化合物半导体材料。

优选地，所述纳米线采用GaAs晶体。

优选地，所述量子点所采用材料的晶格常数，大于所述纳米线所 采用材料的晶格常数。

优选地，所述纳米线为垂直于所述衬底的六棱柱形结构，所述六 棱柱形结构的横截面的直径介于50nm至500nm，最内层的所述量子 点设置在所述六棱柱的侧面上。

优选地，所述量子点呈半椭球形，所述半椭球形的底面直径介于 10nm到30nm，从所述底面到所述半椭球形的最高点的长度介于2nm 到15nm。

优选地，所述衬底采用GaAs。

(三)有益效果

本发明的在纳米线侧壁生长量子点的复合纳异质结构的制备方 法，采用MOCVD设备，直接在六棱柱形的纳米线的侧壁上生长量子 点，简化了现有制备方法的繁琐步骤，并且降低了制备成本；同时， 所述方法通过在量子点的外面覆盖与纳米线相同材料的薄膜，可以在 纳米线的侧壁生长多层量子点，使得到的复合纳异质结构性能更佳， 在新一代的纳米光电子器件中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所述在纳米线侧壁生长量子点的复合纳异质 结构的制备方法流程图；

图2a～d是本发明实施例所述在纳米线侧壁生长量子点的复合纳 异质结构的制备过程示意图；

图3是包含单层量子点的复合纳异质结构的横截面示意图；

图4是包含两层量子点的复合纳异质结构的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例所述在纳米线侧壁生长量子点的复合纳异质 结构的制备方法流程图；图2a～d是本发明实施例所述在纳米线侧壁生 长量子点的复合纳异质结构的制备过程示意图。如图1和图2所示，所 述方法采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金 属有机化合物化学气相沉淀)设备，具体包括：

步骤A：如图2a所示，在衬底1上沉积一层金膜21，经过退火处理 后，如图2b所示，所述金膜21与所述衬底1的表层融合后，形成纳米 合金颗粒22。

其中，所述衬底1采用GaAs；所述金膜21可以使用金的小颗粒替 代。

步骤B：如图2c所示，以所述纳米合金颗粒22作为催化物，沿与 所述衬底1相垂直的方向(即所述衬底1表面的{111}|方向)生长纳米 线3，所述纳米线3位于所述衬底1和所述纳米合金颗粒22之间。其中， 所述纳米线3采用III-V族化合物半导体材料，优选采用GaAs晶体。参 见图2c中右侧局部放大部分，所述纳米线3为垂直于所述衬底1的六棱 柱形结构，所述六棱柱形结构的横截面的直径介于50nm至500nm。

步骤C：如图2d所示，结束所述纳米线3的轴向生长，在所述纳米 线3的侧壁上(即所述纳米线3侧面的{112}方向)生长单层量子点4。 所述量子点4采用III-V族化合物半导体材料，优选采用InAs晶体或者 In_xGa_1-xAs晶体，其中，0.4≤x≤1，比如当x＝0.5时，In_xGa_1-xAs晶体即 In_0.5Ga_0.5As晶体。同时，优选地，所述量子点4所采用材料的晶格常 数，大于所述纳米线3所采用材料的晶格常数。

图3是包含单层量子点的复合纳异质结构的横截面示意图。如图3 所示，所述纳米线3呈六棱柱形，所述量子点4设置在所述六棱柱的侧 面上。所述量子点4呈半椭球形，优选地，所述半椭球形的底面直径L 介于10nm到30nm，从所述底面到所述半椭球形的最高点的长度M介 于2nm到15nm。

需要说明的是，本发明所述方法还可以在所述纳米线3的侧壁上 生长多层所述量子点4，具体包括：

步骤S1：在所述纳米线3的侧壁上生长一层所述量子点4；

步骤S2：在所述量子点4的外面覆盖一层与所述纳米线3的材 料相同的薄膜；

步骤S3：在所述薄膜的外面生长一层所述量子点4；

步骤S4：重复执行所述步骤S2～S3，直至所述量子点4的层数达 到预定值，比如3层。

图4是包含两层量子点的复合纳异质结构的横截面示意图，如图4 所示，介于两层所述量子点4之间的薄膜采用与所述纳米线3相同的材 料。通过重复执行所述步骤S2～S3，可以在所述纳米线3的侧壁上生长 多层所述量子点4。

本发明实施例所述在纳米线侧壁生长量子点的复合纳异质结构 的制备方法，采用MOCVD设备，直接在六棱柱形的纳米线的侧壁上 生长量子点，简化了现有制备方法的繁琐步骤，并且降低了制备成本； 同时，所述方法通过在量子点的外面覆盖与纳米线相同材料的薄膜， 可以在纳米线的侧壁生长多层量子点，使得到的复合纳异质结构性能 更佳，在新一代的纳米光电子器件中具有广泛的应用前景。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。