半導(dǎo)體納米材料的制備

1、新型半導(dǎo)體納米材料的制備摘要：簡(jiǎn)要論述了半導(dǎo)體納米材料的特點(diǎn)，著重討論了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要的幾種半導(dǎo)體納米材料的制備工藝技術(shù)，包括溶膠一凝膠法、微乳液法、模板法、基于MBE和MOCVD納米材料制備法、激光燒蝕法和應(yīng)變自組裝法等，并分析了以上幾種納米材料制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：納米材料；溶膠一凝膠法；分子束外延；金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積；激光燒蝕淀積：應(yīng)變自組裝法；SeveralMajorFabricationTechnologiesofNovelSemiconductorNanometerMaterialsAbstract:Thecharacteristicsofsemiconduct

2、ornanometermaterialsareintroduced.Severalmajorfabricationtechnologiesofsemiconductornanometermaterialsarediscussed,includingsol-gelprocess,tiny-latexprocess,templateprocess,basedonMBEandMOCVD,laser-ablationandstrain-inducedself-organizedprocess,theiradvantagesanddisadvantagesandtheirprospectsareanal

3、yzed.Keywords:nanometermaterial;sol-gelprocess;MBE;MOCVD:laserablationdeposition;strain-inducedself-organizedprocess;1.引言相對(duì)于導(dǎo)體材料而言，半導(dǎo)體中的電子動(dòng)能較低，有較長(zhǎng)的德布羅意波長(zhǎng)對(duì)空間限域比較敏感。半導(dǎo)體材料空間中某一方向的尺寸限制與電子的德布羅意波長(zhǎng)可比擬時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)被量子化地限制在離散的本征態(tài)，從而失去一個(gè)空間自由度或者說(shuō)減少了一維，通常適用體材料的電子的粒子行為在此材料中不再適用。這種自然界不存在，通過(guò)能帶工程人工制造的新型功能材料叫做半導(dǎo)體納米材料?，F(xiàn)已知道

4、，半導(dǎo)體納米粒子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)（原子疇尺寸小于100nm,大比例原子處于晶界環(huán)境,各疇之間存在相互作用等）是導(dǎo)致半導(dǎo)體納米材料具有特殊性質(zhì)的根本原因。半導(dǎo)體納米材料獨(dú)特的質(zhì)使其將在未來(lái)的各種功能器件中發(fā)揮重要作用，半導(dǎo)體納米材料的制備是目前研究的熱點(diǎn)之一。本文討論了半導(dǎo)體納米材料的性質(zhì)，綜述了幾種化學(xué)法制備半導(dǎo)體納米材料的原理和特點(diǎn)。2 .半導(dǎo)體納米粒子的基本性質(zhì)2.1 表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒子尺寸的減小而大幅度地增加（對(duì)于直徑為10nmffi粒子，表面原子所占百分?jǐn)?shù)為20%直徑為1nmi勺粒子，表面原子所占百分?jǐn)?shù)為100%）,粒子的表面能和表面張力隨之增加，

5、材料的光、電、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。表面原子的活性比品格內(nèi)的原子高，其構(gòu)型也可能發(fā)生變化，因而表面狀況也將對(duì)整個(gè)材料的性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。例如，吳曉春等人制備了表面包覆有陰離子表面活性劑的SnOZ內(nèi)米微粒，測(cè)定了裸露的和表面包覆有陰離子表面活性劑的SnQ納米微粒的紅外吸收光譜。表面包覆有陰離子表面活性劑的SnO納米微粒形成寬的背景吸收帶，表現(xiàn)為光吸收邊紅移。裸露的SnO表現(xiàn)為光吸收藍(lán)移。前者表現(xiàn)出很強(qiáng)的光致發(fā)光，后者只有微弱的熒光。因此想要獲得發(fā)光效率高的納米材料，采用適當(dāng)?shù)姆椒ê铣杀砻嫱旰玫陌雽?dǎo)體材料很重要。2.2 量子尺寸效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料從體相減小到某一臨界尺寸（如與電子的德布羅意波長(zhǎng)、電子的非

6、彈性散射平均自由程和體相激子的玻爾半徑相等）以后，其中的電子、空穴和激子等載流子的運(yùn)動(dòng)將受到強(qiáng)量子封閉性的限制，同時(shí)導(dǎo)致其能量的增加，與此相應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)也從體相的連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)變成類似于分子的準(zhǔn)分裂能級(jí)，使原來(lái)的能隙變寬，即光吸收譜向短波方向移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，超微顆粒就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的特性，客觀表現(xiàn)為光譜線會(huì)向短波方向移動(dòng)，催化活性變化。XuSh-ming等測(cè)定其合成的半導(dǎo)體納米線陣列的紫外可見吸收光譜表明，隨著半導(dǎo)體納米線直徑減小，具吸收邊相對(duì)于體相藍(lán)移的幅度增加，顯示了明顯的量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)是未來(lái)微電子、光電子器

7、件的基礎(chǔ)，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微小化時(shí)，必須考慮量子效應(yīng)。2.3 介電限域效應(yīng)當(dāng)用電容率較小的材料修飾半導(dǎo)體納米材料表面時(shí)，帶電的半導(dǎo)體納米粒子發(fā)出的電場(chǎng)線很容易穿過(guò)電容率比自己小的包覆層。因此，屏蔽效應(yīng)減小，帶電粒子間的庫(kù)侖作用力增強(qiáng)，結(jié)果增強(qiáng)了激子的結(jié)合能和振子強(qiáng)度，引起量子點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)變化。量子點(diǎn)中的電子、空穴和激子等載流子受之影響，這種現(xiàn)象稱為介電限域效應(yīng)。對(duì)于超微粒子來(lái)說(shuō)，隨著粒徑減小，和塊體相比紅移和藍(lán)移同時(shí)起作用，一般導(dǎo)致藍(lán)移的電子2空穴空間限域起主導(dǎo)作用，因而主要觀察到的為量子尺寸效應(yīng)。但是當(dāng)對(duì)超微粒表面進(jìn)行化學(xué)修飾后，如果半導(dǎo)體材料和包覆材料的介電常數(shù)相差較大，便產(chǎn)生明顯的介電限

8、域效應(yīng),屏蔽效應(yīng)減弱，半導(dǎo)體材料和包覆材料的介電常數(shù)差值越大，則介電限域效應(yīng)越強(qiáng)，紅移越大。當(dāng)表面效應(yīng)引起的能量變化大于由于空間效應(yīng)所引起的變化時(shí)，超微粒的表觀帶隙減小，反應(yīng)到吸收光譜上就表現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象。劉成林等人網(wǎng)將制得的ZnO/ZnS交體作為亞相，在亞相表面滴加硬脂酸氯仿溶液,形成ZnO/ZnS超微粒2硬脂酸復(fù)合單分子層。ZnO/ZnS®微粒表觀帶隙為4.04eV,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為308nm,ZnO/ZnS超微粒2硬脂酸復(fù)合的表觀帶隙為3.14eV,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為361nm,相對(duì)于膠體的紫外2可見吸收光譜出現(xiàn)了“紅移”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是硬脂酸單分子膜對(duì)超微粒子起著表面修飾

9、作用，從而出現(xiàn)了介電限域效應(yīng)，引起了紅移。這種變化對(duì)納米粒子的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。3 .半導(dǎo)體納米材料的性質(zhì)3.1 特殊的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)納米粒子具有大的比表面積，表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加，小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等導(dǎo)致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性不同于常規(guī)粒子。納米粒子的熔點(diǎn)低于體相材料的熔點(diǎn)，這是由于納米粒子表面原子占總原子數(shù)的比例大，表面原子鄰近配位不全，納米粒子活性大而體積又遠(yuǎn)小于大塊材料的粒子，熔化時(shí)所需增加的內(nèi)能小得多。Goldstein等4由反膠束化學(xué)沉淀法制備的直徑為2.4-7.6nm的半導(dǎo)體原子簇，測(cè)得隨粒子尺寸減

10、小，材料熔點(diǎn)的降低是相當(dāng)顯著的。圖1表明，最小的CdS導(dǎo)體原子簇的熔點(diǎn)降到塊體熔點(diǎn)的1000K以下。1600if1200燮80040012345直徑/nm圖1CdS原子簇熔點(diǎn)與尺寸的關(guān)系納米粒子的高比表面導(dǎo)致不飽和鍵和懸鍵增多，在紅外場(chǎng)作用下，納米粒子紅外吸收帶寬化，對(duì)紫外光有強(qiáng)吸收作用，而且吸收帶移向短波。納米半導(dǎo)體的光譜藍(lán)移現(xiàn)象已經(jīng)有許多報(bào)道，JiaxingHuan/5在CS2）水）乙（撐）二胺微乳液體系，利用超聲輻射合成的納米CdSffi對(duì)于體相CdS的吸收光譜和光致發(fā)光光譜發(fā)生藍(lán)移。3.2 光電化學(xué)性質(zhì)對(duì)于電解質(zhì)溶液中的半導(dǎo)體超微粒的懸浮液體系，當(dāng)光照到微粒上時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，它們

11、流向粒子表面，與溶液中的氧化劑（ox）或還原劑（red）反應(yīng),生成相應(yīng)的產(chǎn)物。當(dāng)極化電勢(shì)有利于氧化光致還原產(chǎn)物，則產(chǎn)生陽(yáng)極光電流；當(dāng)極化電勢(shì)有利于還原先致氧化產(chǎn)物，則可觀察到陰極光電流。當(dāng)極化電勢(shì)不利于氧化或還原先致反應(yīng)產(chǎn)物時(shí)，仍然可能檢測(cè)到由于微粒中產(chǎn)生光生電子(e-)或光生空穴(h+)直接注入到電極里產(chǎn)生的較微弱的光電流。ZangLing等人6在AOT/異辛烷反膠束中合成半導(dǎo)體納米粒子CdS,以溶解在有機(jī)相中的pyrenef乍電子給體，在光激發(fā)下可以向CdStt入電子，觀察到了陽(yáng)極電流，CdS為n型半導(dǎo)體。4 .半導(dǎo)體納米材料的主要制備技術(shù)1.1.1 溶膠一凝膠法在諸多納米粉體的制備法中，

12、溶膠一凝膠法因有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。溶膠是固體顆粒分散于液體中形成的膠體，當(dāng)移去穩(wěn)定劑粒子或懸浮液時(shí),溶膠粒子形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。凝膠由固體骨架和連續(xù)相組成，除去液相后凝膠收縮為千凝膠，將干凝膠鍛燒即成為均勻超細(xì)粉體。該方法的操作過(guò)程大致如下：先將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽類協(xié)調(diào)水解得到均相溶膠后，加入溶劑、催化劑和鰲合劑等形成無(wú)流動(dòng)水凝膠，再在一定的條件下轉(zhuǎn)化為均一凝膠，然后除去有機(jī)物、水和酸根，最后進(jìn)行干燥處理得到超細(xì)化粉體。溶膠一凝膠法具有許多優(yōu)點(diǎn)：由于反應(yīng)在各組分的混合分子間進(jìn)行，所以粉體的粒徑小且均勻性高；反應(yīng)過(guò)程易于控制，可獲得一些其他方法難以得到的粉體；不涉及高溫反應(yīng)，能避免引入雜

13、質(zhì)，產(chǎn)品純度高。但是溶膠一凝膠法在制備粉體過(guò)程中同樣有許多因素影響到粉體的形成和性能。因?yàn)榇见}的水解和縮聚反應(yīng)是均相溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z的根本原因，故控制醇鹽水解縮聚條件是制備高質(zhì)量溶膠的關(guān)鍵。溶膠一凝膠法的另一主要問(wèn)題是納米粒子之間發(fā)生自團(tuán)聚，進(jìn)而形成較大的粒子。引起團(tuán)聚的原因很多，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者從熱力學(xué)的角度探討了溶膠不穩(wěn)定性，認(rèn)為高分子及表面活性劑是較好的納米粒子穩(wěn)定劑?？偲饋?lái)說(shuō)，溶膠一凝膠法制備設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，適宜大面積制膜和批量生產(chǎn)，有望成為開發(fā)新型納米功能薄膜材料的方法。1.1.2 微乳液法微乳液是由油、水、乳化劑和助化劑組成各相同性、熱力學(xué)性能穩(wěn)定的透明或半透明膠體分散體系，其分散相

14、尺寸為納米級(jí)。從微觀的角度分析，用表面活性劑界面膜所穩(wěn)定的微乳液制備超細(xì)顆粒，此超細(xì)顆粒的特點(diǎn)是：粒子表面包裹一層表面活性劑分子，使粒子間不易聚結(jié)；通過(guò)選擇不同的表面活性劑分子可以對(duì)粒子表面進(jìn)行修飾，并控制微粒的大小。制備納米粒子的微乳液往往是W/O（油包水乳液）型體系，該體系的水核是一個(gè)“微型反應(yīng)器”,水核內(nèi)超細(xì)微粒的3種形成機(jī)理見表1。表1水核內(nèi)超細(xì)微粒的形成機(jī)理機(jī)理IA增于水核，P增于水核，A與B在水核內(nèi)反應(yīng)機(jī)理2八一增于水核，B存在于溶液中，B進(jìn)入A的水核反應(yīng)機(jī)理3A增于水核,B為氣體，反應(yīng)在A的水核迸行微乳液法作為一種新的制備納米材料方法，具有實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)用范圍廣和能夠

15、控制顆粒的粒度等優(yōu)點(diǎn)。目前該方法逐漸引起人們的重視，因而有關(guān)微乳體系的研究日益增多，但研究尚處于初始階段。諸如微乳反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)原理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)工程等有關(guān)問(wèn)題還有待解決，對(duì)微乳液聚合動(dòng)力學(xué)的研究也缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)聚合工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制理論的研究還不夠充分，并沒有完全解決微乳液聚合中高乳化劑含量、低單體量這一根本問(wèn)題5。1.1.3 模板法模板法合成納米材料是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)前沿技術(shù)。模板指含有高密度的納米柱形孔洞、厚度為幾十至幾百微米厚的薄膜。常用的模板有：有序洞孔陣列氧化鋁模板、含有洞孔無(wú)序分布的高分子模板、納米洞孔玻璃模板。表2列舉了應(yīng)用模板法制備納米材料的實(shí)例

16、6,7表2應(yīng)用模板法制備納米材料實(shí)例納米粒子分廣篩Nfl'Y經(jīng)離子交換，將Cd-離子91上沸石，然后通入H.S氣體在沸石的孔洞內(nèi)，形成CdS納米微粒子納米線在附極氧化鋁模板中用電沉積和氧化法制備了規(guī)則的納米線納米管氧化鋁模板浸入Na2S溶液中約10min后，加入CdCl,的六偏的酸鈉溶薪，制備兩端開口的CdS納米管陣列模板法是合成納米線和納米管等一維納米材料的有效技術(shù)，具有良好的可控性，利用其空間限制作用和模板劑的調(diào)試作用對(duì)合成材料的大小、形貌、結(jié)構(gòu)和排列等進(jìn)行控制；采用孔徑為納米級(jí)到微米級(jí)的多孔材料作為模板，結(jié)合電化學(xué)法、淀積法、溶膠一凝膠法和氣相淀積等技術(shù)使物質(zhì)原子或離子沉淀于模板

17、孔壁上，形成所需的納米結(jié)構(gòu)體網(wǎng)。模板法制備納米材料具有下列特點(diǎn)：薄膜易于制備，合成方法簡(jiǎn)單；能合成直徑很小的管狀材料；由于膜孔孔徑大小一致，制備納米材料同樣具有孔徑相同、單分散的結(jié)構(gòu)；在膜孔中形成的納米管和納米纖維容易從模板中分離出來(lái)。4.2 基于MB序口MOCVO制備方法4.2.1 分子束外延技術(shù)MBE技術(shù)實(shí)際上是在超高真空條件下，對(duì)分子或原子束源和襯底溫度施以精密控制的薄膜蒸發(fā)技術(shù)。運(yùn)用MBE技術(shù)制備的超晶格和量子阱材料是近年來(lái)半導(dǎo)體物理學(xué)和材料學(xué)科中的一項(xiàng)重大突破。MBE制備法將所需外延的膜料放在射流單元中，在10SPaiR量級(jí)的超高真空環(huán)境下加熱蒸發(fā)，并將這些膜料組分的原子（或分子）按

18、一定的比例噴射到加熱的襯底上外延淀積成薄膜。圖2是MBE系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)由壓力維持在約1.33只10SPa的淀積反應(yīng)室組成。淀積反應(yīng)室內(nèi)是一個(gè)或多個(gè)射流單元，其中含有晶圓上所需材料的高純度樣品。射流單元上的快門把晶圓暴露在源材料面前，這樣電子束直接撞擊于源材的中心，將其加熱成液體。在液態(tài)下，原子從材料中蒸發(fā)出來(lái)，從射流單元的開口處溢出，淀積在品圓的表面上。圖2MBE系統(tǒng)示意圖與其他制備技術(shù)相比,MBE制備法有以下特點(diǎn)：超高真空條件下殘余氣體雜質(zhì)極少，可保持膜面清潔；在低溫下(500600OC)生長(zhǎng)111一V族、HVI族及W族元素化合物薄膜住長(zhǎng)速度極慢(1一10pm/h)因薄膜為層狀生長(zhǎng)，故可獲

19、得表面缺陷極少、均勻度極高的薄膜；由于其便于控制組分濃度和雜質(zhì)濃度，所以可制備出急劇變化的雜質(zhì)濃度和組分的器件；可以用反射式高能電子衍射儀器原位觀察薄膜晶體的生長(zhǎng)情況。4.2.2 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)MOCVD是復(fù)合材料化學(xué)氣相淀積技術(shù)中最新的選擇之一9。氣相外延(VPE)為復(fù)合材料淀積系統(tǒng)，而MOCVD是指用于VPE系統(tǒng)中的源，見圖3的MOCVD系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)使用兩種化學(xué)物質(zhì)：鹵化物和金屬有機(jī)物。在vPE中神化稼(GaAS)的淀積就是一種鹵化物工藝，其熱區(qū)由nl族鹵化物(嫁)形成，冷區(qū)淀積11工一W族化合物。在GaAs的金屬有機(jī)物工藝中，(CH3)3Ga與As進(jìn)入反應(yīng)室反應(yīng)，形成G

20、aAS,反應(yīng)式為：(CH3)3Ga+AsH3GaAS+3CH4。雖然MBE工藝過(guò)程較為緩慢，但MOCVD工藝能夠滿足批量生產(chǎn)的需要，且適合較大的片基。另外MOCVD還具有制備化學(xué)組分的不同多層膜的能力；MOCVD的薄膜組成元素均以氣體形式進(jìn)入反應(yīng)室，通過(guò)控制載氣流量和切換開關(guān)易于控制薄膜組分，薄膜污染程度較?。灰越饘儆袡C(jī)物為源，低溫沉積可降低薄膜中的空位密度和缺陷；能精確掌握各種氣體的流量，控制外延層的成分、導(dǎo)電類型、載流子濃度、厚度等，從而獲得超品格薄膜;反應(yīng)勢(shì)壘低，制備外延膜時(shí)，對(duì)襯底的取向要求不高。此外，與MBE不同,MOCVD可以在如InGaAsP這樣的器件中淀積磷。但是MOCVD也有

21、缺陷,體現(xiàn)在所用原材料成本較高，毒性大，因此研究毒性較小的有機(jī)種來(lái)代替原材料是一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。4.2.3 微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工相結(jié)合的制備技術(shù)利用MBE或MOCVD等技術(shù)一首先生長(zhǎng)出半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)而結(jié)合高空間分辨電子束曝光直寫，濕法或干法刻蝕和聚焦離子束注入隔離制備納米量子線和量子點(diǎn)，即所謂自上而下的制備技術(shù)。利用這一技術(shù)，原則上可產(chǎn)生最小特征寬度為10nm的結(jié)構(gòu)，并可制成具有二維和三維約束效應(yīng)的納米量子線、量子點(diǎn)及其陣列。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是圖形的幾何形狀和密度（在分辨率范圍內(nèi)）可控。其缺點(diǎn)是圖形實(shí)際分辨率不高（因受電子束背散射效應(yīng)的影響，一般在幾十納米），橫向尺寸遠(yuǎn)比縱向尺寸大；

22、損傷邊墻（輻、刻蝕）、引入缺陷或沾污雜質(zhì)，使器件性能變差及曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等10。4.3 激光燒蝕法制備技術(shù)激光燒蝕法是用一束高能脈沖激光輻射靶材，使靶材表面迅速加熱從而融化蒸發(fā)，隨后冷卻結(jié)晶的一種納米材料制備方法。該方法己被用來(lái)制備納米粉末和薄膜。制備時(shí)先將混和有一定比例的催化劑靶材粉末壓制成塊，放入一個(gè)高溫石英管真空爐中烘烤去氣，預(yù)處理后將靶材加熱到12000c左右，用一束激光消融靶材，同時(shí)吹入流量為50cm,/min左右的保護(hù)氨氣，保持（400700）x133.3Pa的氣壓,在出氣口附近由水冷集合器收集所制備的納米材料。激光燒蝕法制備納米材料所用的激光器主要有固體錢（Nd）。當(dāng)憶鋁石榴石（Y

23、AG）激光倍頻后得到532nm激光和準(zhǔn)分子激光，一般出射單脈沖激光能量為20050OmJ,脈沖寬度約幾納秒到幾十納秒，脈沖頻率約為5-10Hz。在該方法中激光主要是作為熱源，使靶材在激光下加熱并融化蒸發(fā)。目前TakehitoYoshida和F.Kokai研究小組分別利用脈沖和連續(xù)C02激光燒蝕靶材進(jìn)行了碳納米管的制備實(shí)驗(yàn)，直接用激光的加熱作用來(lái)提供一維納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)所需的溫度條件110激光束具有高性能而非接觸的優(yōu)點(diǎn)，是一種干凈的熱源。激光燒蝕法在制備零維、一維、二維納米材料方面有著一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但目前利用激光燒蝕法制備納米粉末時(shí)，多采用塊狀平面靶材為原料。由于靶材升溫和導(dǎo)熱消耗了大量的能量，納

24、米粒子蒸發(fā)一冷凝所消耗的有效能量所占比例很小，所以粉末的產(chǎn)出率很低口，因此制約了該技術(shù)的研究進(jìn)展。針對(duì)激光燒蝕法制備納米粉末產(chǎn)出率低的缺點(diǎn)，美國(guó)Texas大學(xué)的H.Cai等人玻璃和金屬小球?yàn)榘胁?，采用?duì)激光束透明的石英板作為小球運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向板，且用高能激光束燒蝕一個(gè)個(gè)微米級(jí)小球，制備出純度很高的納米粉末。結(jié)果表明，激光燒蝕小球所需的最低能量值遠(yuǎn)低于燒蝕同樣成分塊狀平板靶材時(shí)所需值12o但其粉末的產(chǎn)量仍無(wú)明顯的增長(zhǎng)，究其原因主要是小球運(yùn)動(dòng)的軌跡難以精確控制。4.4 應(yīng)變自組裝制備量子點(diǎn)（線）法在異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)過(guò)程中，根據(jù)異質(zhì)結(jié)材料體系的品格失配度和表面能與界面能的不同，存在著3種生長(zhǎng)模式：晶格匹配

25、體系的二維層狀（平面）生長(zhǎng)的Frank一VanderMerwe模式;大品格失配和大界面能材料體系的三維島狀生長(zhǎng)的模式；大品格失配和較小界面能材料體系的初層狀進(jìn)而過(guò)渡到島狀生長(zhǎng)的stranski一Krastanow（SK）模式。應(yīng)變自組裝納米量子點(diǎn)（線）結(jié)構(gòu)材料的制備是利用SK生長(zhǎng)模式,它主要用于描述具有較大品格失配，而界面能較小的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)行為。SK生長(zhǎng)模式的機(jī)制如下：對(duì)于品格常數(shù)相差較大的半導(dǎo)體材料體制，在外延生長(zhǎng)初期外延層材料在襯底表面上呈穩(wěn)定平面（層）狀生長(zhǎng)。由于外延層厚度很薄，故它與襯底晶體之間的品格失配為生長(zhǎng)層本身的彈性畸變所緩解，晶體為鷹品結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。隨著生長(zhǎng)層厚度逐漸增加，晶

26、體內(nèi)部彈性畸變能量不斷積累，當(dāng)此能量值超過(guò)某個(gè)閩值后，生長(zhǎng)的晶體會(huì)像地震釋放地殼中積蓄的畸變能量一樣，一剎那間二維的層狀晶體會(huì)完全坍塌，只在原來(lái)襯底表面存留一薄層生長(zhǎng)層（浸潤(rùn)層），其余的晶體材料在整個(gè)系統(tǒng)的表面能、界面能和畸變能的聯(lián)合作用下，于浸潤(rùn)層表面上重新自動(dòng)聚集，形成納米尺度的三維無(wú)位錯(cuò)晶體“小島”，使系統(tǒng)的能量最小。晶體“小島”的生成是自發(fā)進(jìn)行的，故被稱為自動(dòng)組裝生長(zhǎng)。納米尺度的“小島”（量子點(diǎn)）形成后，再用另外一種能帶帶隙較寬的半導(dǎo)體材料（如GaAS,AIGaAS等）將這些“小島”覆蓋，形成“葡萄干”分層夾餡餅干結(jié)構(gòu)。這時(shí)“小島”中的電子（或空穴）載流子，由于外面覆蓋層材料高能量勢(shì)壘

27、的阻擋（限制）作用，只能被“囚禁在“小島”中，這樣就形成了應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料。采用SK生長(zhǎng)模式制備應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)材料，是目前制備量子點(diǎn)材料最為成功的一項(xiàng)技術(shù)，該模式廣泛用來(lái)制備各種大失配半導(dǎo)體材料體系量子點(diǎn)13。5.結(jié)束語(yǔ)在21世紀(jì)這一信息時(shí)代中，新品IC芯片的原型集中于納米組裝體系中。盡管當(dāng)前半導(dǎo)體納米材料正處于初始研發(fā)階段，但無(wú)論用哪種方法合成的納米材料要達(dá)到實(shí)用化，都要符合表面完整、性能穩(wěn)定和成本低廉等要求。制備半導(dǎo)體納米器件依賴于微結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而微結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又在很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)水平，因此納米材料制備技術(shù)的研究與進(jìn)展將起著舉足輕重的作用。目前采用三維外延生長(zhǎng)技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上外延的氮化嫁（GaN）薄膜材料的缺陷密度已降低到1義108cm',這是制各發(fā)光二極管的基本要求。現(xiàn)在半導(dǎo)體材料越做越細(xì)（納米材料、微結(jié)構(gòu)材料）,pn結(jié)越做越淺（超淺結(jié)）。由于絕緣膜上硅（S01技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了布線和制備工藝，所以sol材料的優(yōu)越性在于絕對(duì)電學(xué)隔離和減小面積，將電路密度提高30%,但速度卻比普通的Si器件快兩倍，目前己廣泛用于制作抗核加固IC,VLSI,ULSI,三維IC和BICMOS等工藝中，滿足了軍事、航空航天、通信等尖端科學(xué)領(lǐng)域的需要。所有這些應(yīng)用都得益于新型的半導(dǎo)體納米