基于金属衬底的Si/SiO2复合结构纳米线阵列生长及相关器件研究

金属/氧化物/半导体（MOS）结构是最重要的半导体器件结构之一。随着器件尺寸向纳米尺度以下不断推进，现行平面光刻工艺制备MOS结构的难度和成本也极大的增加，然而很多实际应用（如传感器等），对于MOS结构制备精度的要求并不十分严格，因此，发展能够满足应用需求的简单、廉价的MOS结构制备方法，将是非常有意义的工作。本项目在长期研究CVD法生长硅纳米结构的基础上，提出以液体金属为基底，利用纳米结构之间产生的"拥挤效应"，使Si/SiO2核壳结构纳米线在生长的同时自动在液体金属表面排列成阵列结构。通过调控金属基底以及成核、生长速度，达到对Si/SiO2复合纳米线阵列的密度及氧化层厚度的可控生长。并利用这种金属表面竖直生长的Si/SiO2纳米阵列自身具有半导体/氧化物结构的特点，制作MOS结构模块，构筑高灵敏度传感器件。通过本项目将发展制备硅基纳米MOS结构阵列的新方法，具有重要的科学及实用意义。

本项目提出以液体金属为基底，利用纳米结构之间产生的“拥挤效应”，使Si/SiO2核壳结构纳米线在生长的同时自动在液体金属表面排列成阵列结构。通过调控金属基底以及成核、生长速度，达到对Si/SiO2复合纳米线阵列的密度及氧化层厚度的可控生长。.经过三年的努力，我们按照项目计划基本完成了项目的预期目标，申请专利7项，在Adv. Mater.及Nano Lett.等学术期刊上发表研究论文8篇。尤其是在一维（1D）纳米结构的生长机理及控制合成方面取得了重要进展。液固气（VLS）生长方法是1D纳米结构的主要制备方法。但是自1964年首次报道以来，虽然该方法可成功应用于大量半导体1D纳米结构的合成。然而，定量地理解VLS生长过程依然是一个极具挑战的科学难题。目前世界上在纳米结构合成领域知名的学者和实验室大多都在这个问题上做过尝试，但是虽然最近几年在VLS生长的研究中取得了重要的进步，却依然未能实现定量理解VLS生长过程的最终目标。本项目从实验和理论两方面成功解决了这个半个世纪以来悬而未决的科学难题：在国际上首次发现了VLS生长的标志性数值关系，建立了生长的特征热力学方程和数学模型。该成果对于1D纳米结构的可控合成，以及纳米科学的发展具有重要的奠基作用。.基于对1D纳米结构VLS生长过程的掌握，项目研究揭示了催化剂与生长面间接触角对Si/SiO2纳米线生长过程的影响。并掌握了以大面积Sn作为生长衬底，在其表面生长Si/SiO2竖直纳米线的方法，得到了大面积直径、长度、密度及表面氧化层厚度基本可控的Si/SiO2纳米线阵列。基于制备的Si/SiO2纳米线竖直阵列的特殊结构，研究了其可见光杀菌等应用。.项目的进行过程中也并非一帆风顺，也出现了一些失败的结果。项目中除了利用Si/SiO2纳米线阵列实现可见光杀菌等应用以外，我们同时研究了其基于MOS结构的纳米器件，但是并未取得预期的结果。我们从实验结果中认识到与平面结构相比，纳米结构的表面具有很大的曲率，这限制了利用目前MOS制备工艺在纳米结构表面构筑高效率的MOS器件结构。这说明虽然科学原理并无纰漏，但目前实验技术上还需要进一步完善。预期随着纳米技术的不断进步，在后续研究中器件效率会有进一步的提高。