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纳米线带隙分布的测量方法
技术领域
本发明涉及一种材料的半导体性的测量方法，尤其涉及一种纳米线的半导体性的测量方法。
背景技术
纳米线，如硅纳米线，二氧化硅纳米线，氧化锌纳米线，碳纳米管等，具有准一维结构和独特的电学性能。现已开展了将纳米线应用于电子器件、场发射技术、生物载药、储氢技术等诸多领域的研究工作。
以碳纳米管为例，碳纳米管可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管，其中单壁碳纳米管作为优良的一维纳米材料，因其具有较高的载流子迁移率而被用作制造场效应晶体管、薄膜晶体管等电子器件，有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的关键材料。根据单壁碳纳米管直径和手性不同，单壁碳纳米管表现为金属性和半导体性，现有技术中通常采用去除单壁碳纳米管中的金属性单壁碳纳米管获得由纯半导体性碳纳米管组成的半导体层。为了进一步验证上述由纯半导体性碳纳米管组成的半导体层的半导体性能，需要测量上述由纯半导体性碳纳米管组成的半导体层中的半导体性碳纳米管的带隙分布。现有技术中，通常采用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）拍照后，分析出半导体性单壁碳纳米管的直径，并利用半导体性单壁碳纳米管的直径与带隙成反比的线性关系，来计算上述半导体性单壁碳纳米管的带隙分布。然而，由于原子力显微镜拍摄时间较长，并且只能分析少数几根半导体性单壁碳纳米管，使得该方法效率较低，并且不适用大规模的检测。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种高效并且适用于大规模检测纳米线的带隙分布的方法。
一种纳米线带隙分布的测量方法，包括以下步骤：提供一基体，并于该基体设置多个纳米线，该多个纳米线平行于基体表面；形成至少一金属电极于所述基体表面，并与所述多个纳米线接触；对上述形成有多个纳米线及至少一金属电极的基体拍摄扫描电子显微镜照片；分析上述扫描电子显微镜照片，获得该多个纳米线的带隙分布。
与现有技术相比，本发明提供的纳米线带隙分布的测量方法，由于采用在所述多个纳米线表面形成金属电极，并与该多个纳米线相互接触。从而，在所获得的扫描电子显微镜照片中，该多个纳米线中的半导体纳米线与金属电极接触的部分将沿着该半导体纳米线出现长短不一的亮带，进一步可以通过该多个长短不一的亮带直接直观获得上述多个半导体纳米线的带隙的分布。相较于现有技术，扫描电子显微镜成像速度快，仅仅需要几秒钟就可以成像，并且可以大面积的测试多个纳米线的带隙分布。因此，该方法具有高效，简单，并且可以大规模测试的优点。
附图说明
图1为本发明具体实施例提供的纳米线带隙分布的测量方法中，表面设置有金属电极的多个纳米线的结构示意图。
图2为本发明具体实施例中多个纳米线为单壁碳纳米管时，在基底表面水平生长形成的多个单壁碳纳米管的扫描电子显微镜的照片。
图3为本发明具体实施例中的多个单壁碳纳米管表面形成两个金属电极后，拍摄的扫描电子显微镜照片。
图4为本发明具体实施例中选定的三根半导体性单壁碳纳米管与一根金属性碳纳米管的扫描电子显微镜照片的放大图。
图5为图4中的三根半导体性单壁碳纳米管与一根金属性碳纳米管的扫描电子显微镜照片的灰度变化图。
图6为图4中的三根半导体性单壁碳纳米管与一根金属性碳纳米管的原子力显微镜照片。
图7为图4中的三根半导体性单壁碳纳米管与一根金属性碳纳米管的直径关系图。
图8为图4中的三根半导体性单壁碳纳米管亮带长度与直径的关系图。
主要元件符号说明

基体100纳米线102电极104
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的纳米线带隙分布的测量方法作进一步的详细说明。
请参见图1，本发明具体实施例提供一种纳米线的带隙分布的测量方法，包括以下步骤：
S1，提供一基体100，在该基体100表面形成多个纳米线102，该多个纳米线102平行于基体100表面；
S2，形成至少一金属电极104于所述基体100的表面，并与所述多个纳米线102相互接触；
S3，对上述形成有多个纳米线102及至少一金属电极104的基体100拍摄扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)照片;以及
S4，分析上述扫描电子显微镜照片，获得该多个纳米线102的带隙分布。
步骤S1中，所述基体100的材料可以是硅、二氧化硅、石英等。该基体100的厚度不限，大小不限，只要方便拍摄扫描电子显微镜均可。所述纳米线可以是硅纳米线、二氧化硅纳米线、氧化锌纳米线、碳纳米管、二硫化钼或石墨烯窄带等。该纳米线102至少部分具有半导体性。为方便测量，该多个纳米线102为直线段，也就是说该多个纳米线102中的每一纳米线基本朝着一个方向延伸。该多个纳米线102也可以随机的分布在基体100表面，只要该多个纳米线102平行于该基体100表面即可。优选地，该多个纳米线102间隔设置，彼此之间并不相互接触。该多个纳米线102可以采用直接生长的方法水平生长于基体100表面，或者也可以采用转移的方法从其他生长基体转移至该基体100表面。优选地，所述基体100的表面为一平面，该多个纳米线102相互平行且相互间隔地设置于所述基体100的同一表面，从而构成一个具有定向导电的半导体层。
本实施例中，该多个纳米线102为单壁碳纳米管。该单壁碳纳米管中，可以全部是半导体性的，或者也可以三分之二是半导体性的。该多个单壁碳纳米管中的金属性的单壁碳纳米管对测量结果并无影响，只要该多个单壁碳纳米管中包含半导体性的单壁碳纳米管即可。该多个单壁碳纳米管可以直接生长或者转移至所述基体100。
所述水平生长多个单壁碳纳米管的方法包括很多种。本实施例中，采用“石英晶格导向法”在一石英基底表面形成多个平行间隔排列的单壁碳纳米管，具体包括以下步骤：
S11，提供ST-cut石英基底；
S12，在该石英基底表面蒸镀催化剂层，该催化剂层为铁（厚度为0.2纳米）；
S13，将上述沉积有催化剂层的石英基底放入石英管中，在800～850摄氏度范围内，通入碳源气体甲烷和还原气体氢气生长10～20分钟。
请参见图2，上述通过“石英晶格导向法”在基底的表面水平生长获得的多个相互平行并间隔设置的单壁碳纳米管。所述多个单壁碳纳米管具有相等的长度，该长度为100微米；相邻单壁碳纳米管之间的距离为200纳米至1000纳米。另外，可以理解，通过上述“石英晶格导向法”在基底的表面水平生长获得的多个相互平行并间隔设置的单壁碳纳米管还可以转移至一硅基体表面。此外，还可以用气流导向法或电场导向的方法获得在基体表面水平排列的碳纳米管。
步骤S2中，所述金属电极104的材料不限，只要能够与其接触的所述纳米线102之间接触形成肖特基节即可。该金属电极104的材料可以是钛、钯、金、铬、铝或钪等。该金属电极104的形状以及宽度不限，只要保证与每一个纳米线102都部分接触，并且保证每一个纳米线102都可以测量即可。换句话说，所述多个纳米线102中每个纳米线102都有部分与所述至少一金属电极104接触，并且部分延伸在外，延伸在外的部分可以被扫描电子显微镜测量。本实施例中，该金属电极104为条带状，宽度可以为2微米至10微米。
本实施例中，两条金属电极104为金属材料通过电子束曝光（electron beam lithography）制成，该金属电极104的材料为钛，其宽度为5微米。具体地，该金属电极104的形成方法包括以下步骤：
S21，在基体100表面形成第一抗蚀剂层（MMA），覆盖所述多个纳米线102；
S22，在基体100表面形成第二抗蚀剂层（PMMA）覆盖所述第一抗蚀剂层；
S23，电子束曝光形成所需的图案；
S24，蒸镀金属电极104与所述多个纳米线102相互接触；
S25，去除剩余的抗蚀剂。
请参见图3，本实施例中，所述多个平行排列的纳米线102表面，设置有两个相互平行的金属电极104。该相互平行的金属电极104与所述多个纳米线102相互垂直。
步骤S3中，形成有多个纳米线102及至少一金属电极104的基体100由电子扫描显微镜装置拍摄电子扫描显微镜照片。请参见图3，在金属电极104与纳米线102接触的地方沿着金属电极104延伸的方向出现多条长短不一的亮带，每一条亮带对应一个纳米线102。每一个纳米线102上面都有一根亮带，该亮带沿着纳米线102延伸。图3中的纳米线102为单壁碳纳米管，亮带的长度与该单壁碳纳米管的长度相等时，该单壁碳纳米管为金属性的碳纳米管。亮带的长度与该单壁碳纳米管的长度不相等时，该单壁碳纳米管为半导体性的碳纳米管。换句话说，图3中的单壁碳纳米管亮度是连续的，没有间断，形成一整条亮带的，那么就是金属性的单壁碳纳米管，反之就是半导体性的单壁碳纳米管。
由于金属与半导体接触可以形成肖特基结，在肖特基结区产生了一定长度的空间电荷区。该空间电荷区带负电，导致扫描电子显微镜中的二次电子发射增多，从而扫描电子显微镜的成像亮度增加，形成一亮带对应空间电荷区。
步骤S4中，为了计算图3中半导体性单壁碳纳米管的带隙分布，定义半导体性单壁碳纳米管亮带的长度为L_BS。上述半导体性单壁碳纳米管亮带的长度L_BS可以通过现有技术中的任何分析方法获得，可以用尺度量，或者用计算机绘图软件测量。请参见图4，任意取出图3中四个与一个金属电极104接触的单壁碳纳米管为例。图4中右侧的放大图中四个单壁碳纳米管中的三个是半导体性的单壁碳纳米管，一个是金属性的单壁碳纳米管。请参见图5，图5为图4中的三根半导体性单壁碳纳米管与一根金属性碳纳米管的扫描电子显微镜照片的灰度变化图。从图5中可以清楚读出每一根半导体性单壁碳纳米管的L_BS值，分别是1.25微米，1.91微米，2.60微米。通过每一根半导体性单壁碳纳米管的L_BS值可以分析出各个半导体性单壁碳纳米管L_BS的比例关系。由于半导体性的单壁碳纳米管的带隙E_g与半导体性的单壁碳纳米管的直径d成反比。为了验证半导体性单壁碳纳米管的L_BS值与其带隙E_g的关系，需要测出图4中选定的三根半导体性单壁碳纳米管的直径d。
请参阅图6，通过原子力显微镜对图4中选定的四个单壁碳纳米管拍摄原子力显微镜照片。图7为图5中的三根半导体性单壁碳纳米管的直径的关系图。从图7中可以直接获得上述三根半导体性单壁碳纳米管的直径d，分别是1.12纳米，1.45纳米，1.71纳米。请参阅图8，图8可以看出，上述三根半导体性单壁碳纳米管的L_BS与直径d具有线性关系，并且L_BS与d成正比。因此，可以得出结论，图5扫描电子显微镜照片中，半导体性单壁碳纳米管的亮带长度L_BS与半导体性单壁碳纳米管的带隙E_g成反比。半导体性单壁碳纳米管的直径越大，其亮带长度越长。因此，步骤Ｓ4中，通过有金属电极104的多个纳米线102拍摄的扫描电子显微镜照片，测量出该多个纳米线102中每个半导体性的纳米线的亮带长度，就可以直接分析出多个纳米线102的带隙分布情况。可以对现有技术中，制备具有均匀的带隙的定向导电的半导体层有指导意义。
相较于现有技术，扫描电子显微镜成像速度快，仅仅需要几秒钟就可以成像，并且可以大面积的测试多个半导体纳米线的带隙分布。因此，该方法具有高效，简单，并且可以大规模测试的优点。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。