一种针对InAs纳米线混合晶相界面位置的检测装置及方法

本发明属于量子力学和纳米，尤其涉及一种针对inas纳米线混合晶相界面位置的检测装置及方法。

背景技术：

1、inas纳米线是由砷化铟(inas)材料制成的一维纳米结构，因其高电子迁移率、窄带隙(约0.35ev)和显著的量子效应而在电子和光电子器件中具有广泛应用前景。其独特特性使得inas纳米线在高频电子器件、红外探测器、光电转换器件以及量子计算元件中表现出色。inas纳米线的制备方法包括化学气相沉积(cvd)、分子束外延(mbe)和模板法，这些方法能够有效控制纳米线的尺寸和形貌。作为纳米科技和半导体研究的重要材料，inas纳米线在电子、光电子和量子技术等领域有望实现更多突破和创新。inas纳米线的晶相主要有闪锌矿(zinc blende，zb)和纤锌矿(wurtzite，wz)两种结构，具体分布和比例取决于生长条件和方法。zb结构属于立方晶系，具有高对称性和较少缺陷，通常表现出优良的电子迁移率和光学特性，因此在高性能电子和光电子器件中应用广泛。而wz结构属于六方晶系，具有更强的量子限域效应和独特的光学特性，适用于特定的光电子和量子器件。通过调节生长条件，如温度、压力、前驱物浓度和基板类型，可以控制inas纳米线的晶相。晶相对纳米线的性能有重要影响，zb结构有利于提升电子器件的迁移率和光电性能，而wz结构则在特定应用中展现出优势。检测和控制inas纳米线的晶相是实现其在各种电子和光电子器件中应用的关键。

2、inas纳米线的晶相检测方法包括多种技术，每种技术都有其独特的优势和适用范围。高分辨透射电子显微镜(hrtem)和选区电子衍射(saed)通过直接观察纳米线的原子排列和衍射图案，可以精确区分闪锌矿和纤锌矿结构。x射线衍射(xrd)适用于大量纳米线样品，通过分析衍射峰的位置和强度来判断晶相。拉曼光谱(raman spectroscopy)通过检测inas纳米线的声子模来识别其晶相，不同结构会表现出不同的拉曼光谱特征。透射电子显微镜(tem)结合能谱(eds)不仅可以观察纳米线的晶相，还能分析化学成分。高角环形暗场扫描透射电子显微镜(haadf-stem)通过原子序数对比成像，可以区分不同晶相的原子排列。高分辨扫描电子显微镜(hrsem)则用于观察纳米线的表面形貌和晶体结构。这些检测方法存在操作难度大、样品制备复杂、样品破坏性大、成本高昂等缺点。设计一种操作简单、分辨率高、成本低的inas纳米线混合晶相检测方法具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种针对inas纳米线混合晶相界面位置的检测装置及方法。针对inas纳米线中混合晶相界面位置的检测。该技术巧妙地结合了位置敏感探测器与金属-绝缘体-半导体(mis)结构中的隧穿效应，实现了对晶相变化的高灵敏度电学检测。

2、技术方案：本发明的一种针对inas纳米线混合晶相界面位置的检测装置，从上至下依次包括inas纳米线、氮化硼和金属电极；

3、所述金属电极为粗金属电极或细金属电极；

4、在所述inas纳米线两端设有第一欧姆电极和第二欧姆电极；其目的在于有效地传导电流，减少电极和半导体之间的电阻。

5、在所述金属电极的一头末端左侧设有焊盘pad。

6、进一步的，所述氮化硼采用脉冲激光沉积技术pld制备，通过该方法制得相同尺寸的两片少层六方氮化硼薄膜；在该厚度下发生的隧穿效应较为明显，从而更好的显现隧穿电流的大小。所述两片少层六方氮化硼薄膜为第一氮化硼薄膜和第二氮化硼薄膜，在第一氮化硼薄膜上制作粗金属电极，在第二氮化硼薄膜上制作细金属电极；第一氮化硼薄膜未与粗金属电极接触的一面朝上，将待测样品inas纳米线转移到第一氮化硼薄膜上。引入氮化硼的目的是防止inas纳米线与金属电极发生直接接触，不仅保护了阵列电极免受磨损，还显著提升了其耐用性，使得阵列电极能够在多次转移过程中保持稳定，实现重复使用。

7、进一步的，所述焊盘pad处即为检测位置点，将检测点从最右侧电极的焊盘pad上，依次划过每一个焊盘pad，当检测到电流突变时，将样品inas纳米线转移到第二氮化硼薄膜上且确保细金属电极所处区域覆盖电流突变位置。

8、进一步的，所述粗金属电极采用传统光刻技术制备，最小线宽在1微米以上，数量在10-50根，采用前后差位递进式结构排列；所述细金属电极采用电子束曝光技术制备，线宽在10-50纳米，数量在50-100根，采用前后差位递进式结构排列；两根相同长度的金属电极为一组，行成一前一后交错并列式排列，从左往右每组电极长度依次增加3-5微米，为焊盘pad预留足够的空间，所述焊盘pad的线宽为2-3微米。其目的在于避免由于金属电极线宽过小而带来的操作不便，而且能够延长金属电极的使用寿命。

9、闪锌矿zb的电阻率较低，纤锌矿wz的电阻率较高,由此可以判断晶相界面位置。

10、本发明还公开一种针对inas纳米线混合晶相界面位置的检测方法，包括如下步骤：

11、s1、采用欧姆接触在inas纳米线两侧接上金属电极；

12、s2、采用脉冲激光沉积技术pld制备两片氮化硼薄膜；

13、s3、使用光刻技术在第一氮化硼薄膜上制备粗金属电极；

14、s4、使用电子束曝光技术在第二氮化硼薄膜上制备细金属电极；

15、s5、将所有粗金属电极和细金属电极采用焊球凸块电镀工艺接上焊盘pad；

16、s6、将第一氮化硼薄膜和第二氮化硼薄膜未与阵列金属电极接触的一面朝上，将待测样品inas纳米线转移到第一氮化硼薄膜上；

17、s7、在inas纳米线两端设有第一欧姆电极和第二欧姆电极，在第一欧姆电极和第二欧姆电极处接上3v正向电压，将检测点置于最右端一根电极的焊盘pad上，并接上3v负向电压，在纳米定位台上通过近场光学显微镜观察，观察到电流突变，将inas纳米线从第一氮化硼薄膜上剥离转移到第二氮化硼薄膜上，继续从右向左检测，最终确定混晶相界面位置，由此完成一种inas纳米线混晶相界面位置的检测方法。

18、进一步的，步骤s1具体包括如下步骤：

19、s11：使用异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，接着使用氧气等离子体去除表面有机污染物；

20、s12:在样品表面均匀涂覆一层光刻胶，通过电子束曝光在光刻胶上定义电极图案，然后在显影液中显影；

21、s13:使用稀释的氢氟酸溶液对inas纳米线表面进行刻蚀，以去除表面氧化层，刻蚀后立即用去离子水冲洗样品；

22、s14:选择50-100nm的au作为金属电极材料，使用磁控溅射沉积金属薄膜；

23、s15:在氩气保护气氛中，300℃下退火30-60分钟，以促进金属与半导体的互扩散；

24、s16:使用溶剂丙酮去除光刻胶，然后用去离子水冲洗，最终在inas纳米线两侧得到接触性能良好的欧姆电极。

25、进一步的，步骤s2具体包括如下步骤：

26、s21：使用单晶srtio3衬底作为生长ag缓冲层和h-bn薄膜的平台；

27、s22：衬底通过红外激光加热至大约400℃进行原位清洁；

28、s23：在衬底上生长40纳米厚的ag缓冲层，沉积速率约为2纳米每分钟，生长温度为150-200℃；

29、s24:接着在200-250℃下沉积氮化硼，沉积速率为0.7纳米每分钟，以实现10-15ml厚的h-bn薄膜。

30、进一步的，步骤s3具体包括如下步骤：

31、s31：使用丙酮和异丙醇清洗第一氮化硼薄膜，去除表面污染物，通过烘箱干燥；

32、s32:选择高分辨率光刻胶su-8，通过旋涂法将光刻胶均匀涂布在氮化硼表面，设置旋转速度3000rpm，时间30-60秒，接着在80-100℃下软烘焙2-5分钟，以去除光刻胶中的溶剂；

33、s33：在紫外曝光机中，将涂有光刻胶的第一氮化硼薄膜与包含1微米电极图案的高分辨率掩膜版对准，并进行紫外光曝光，曝光能量设为200mj/cm2，曝光时间为15-30秒，曝光后，将硅片浸入su-8显影液中显影1-2分钟，并搅拌以促进显影过程，完成后用去离子水冲洗硅片并干燥；

34、s34：显影后的第一氮化硼薄膜在120℃下进行硬烘焙5分钟，提高光刻胶的抗蚀刻能力；随后，使用金属溅射仪或蒸镀仪在硅片上沉积100-200nm厚的金属铬，完成金属沉积后，将硅片浸入丙酮中剥离光刻胶，辅助使用超声波清洗器确保剥离完全，最终得到线宽为1微米的电极。

35、进一步的，步骤s4具体包括如下步骤：

36、s41:首先准备并清洁第二氮化硼薄膜，然后旋涂一层pmma，并在150-200℃下烘烤1-2分钟；

37、s42:接着使用电子束曝光设备按照设计图案在抗蚀剂上刻写20纳米的电极结构；

38、s43：将曝光后的样品浸入显影液异丙醇中，显影时间为30秒至1分钟，显影后，用去离子水冲洗并用氮气吹干；

39、s44：然后通过溅射沉积法沉积金属电极层；

40、s45：最后使用丙酮剥离处理，去除未覆盖金属的抗蚀剂部分。

41、进一步的，步骤s6具体包括如下步骤：

42、s61:使用聚二甲基硅氧烷pdms作为转移介质,在约90℃下持续15-30分钟使inas纳米线牢牢附着在pdms薄膜上；

43、s62:使用湿法转移技术将h-bn层转移到临时衬底聚对苯二甲酸乙二酯pet薄膜上；

44、s63：将制备好的h-bn/pet层放置在inas/pdms组合的表面，接着加热到约120℃，气压控制在0.5mpa，时间为20-30分钟，将h-bn层与inas纳米线结合起来；

45、s64：通过加入溶剂乙醇和丙酮，去除pdms和pet膜；

46、s65：最后在氩气中进行热退火，温度设定在200-250℃，时间为1-2小时，使用氧等离子清洁界面，去除残留的有机物。

47、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

48、(1)引入了二维新材料六方氮化硼，优异的电绝缘性和界面性能，很好的充当金属-绝缘体-半导体(mis)结构中的绝缘体，同时避免了inas纳米线与金属电极发生直接接触，不仅保护了阵列电极免受磨损，还显著提升了其耐用性，使得阵列电极能够在多次转移过程中保持稳定，实现重复使用。

49、(2)利用一种创新性的前后差位递进式电极排列结构，实现粗细电极最大宽度之间任意位置晶相界面的检测，极大程度的提高了检测精度，并在每一根电极的末端接上焊盘pad，避免由于金属电极线宽过小而带来的操作不便，而且能够延长金属电极的使用寿命。

50、(3)本发明通过位置敏感探测器与mis结构下隧穿效应的结合，通过隧穿效应产生的隧穿电流进一步放大了电流与电阻之间的变化关系，呈指数级增长，提高了电流变化灵敏度，进一步提高检测精度。

51、(4)本发明的一种创新性的inas纳米线混合晶相界面位置的检测方法。该发明针对检测成本高昂、样品不能重复检测的问题，引入位置敏感探测器和金属-绝缘体-半导体(mis)结构，在实现高检测精度的同时降低检测成本。探测器的设计采用了正负电极与inas纳米线的巧妙组合，依据欧姆定律，将纳米线的晶相变化转化为可测量的电学参数变化。这种方法不仅提高了检测的灵敏度，而且通过精确控制电学参数，增强了结果的可靠性。

52、(5)本发明采用了一种特殊的前后差位递进式结构阵列金属电极布局，并与纳米定位台相结合，这一设计不仅放大了电学参数的变化灵敏度，而且显著提高了检测位置的精确度。这种创新的器件结构，提升了检测精度，确保了检测结果的高可靠性。解决了传统检测方法中样品无法重复使用的问题，大幅降低了检测成本，为inas纳米线晶相界面的检测提供了一种经济高效、操作简便的解决方案。