一種基于波導(dǎo)器件的單根納米線的轉(zhuǎn)移方法與流程

本發(fā)明涉及納米器件制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于波導(dǎo)器件的單根納米線的轉(zhuǎn)移方法。

背景技術(shù)：

微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展使得功能材料向著二維或者一維更小尺度的研究成為可能，這也是一種器件小型化和集成化的研究趨勢。與塊狀材料相比，一維納米材料在物理特性具有獨特的優(yōu)勢，在納米級器件亦具有獨特的應(yīng)用潛力。這種獨特結(jié)構(gòu)的一維材料，因為其在尺寸減小所帶來的優(yōu)異的性能表現(xiàn)，使其在電、光子器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并引起了科學(xué)界的廣泛的關(guān)注，各國也都不遺余力的在納米科技方面進行投入，以爭取納米領(lǐng)域的話語權(quán)。另外一方面，電子的熱效應(yīng)和串擾等固有的物理極限使得微電子技術(shù)的發(fā)展將遭遇瓶頸，光子集成技術(shù)將會扮演愈來愈重要的角色。而光子集成技術(shù)的核心技術(shù)之一是如何實現(xiàn)基于波導(dǎo)的光子器件集成。基于單根納米線的波導(dǎo)器件是實現(xiàn)納米線在光子技術(shù)應(yīng)用中的重要一環(huán)，而如何實現(xiàn)基于單根納米線的波導(dǎo)器件制備是器件實現(xiàn)應(yīng)用的前提條件。

采用納米線常用的制備方法，包括化學(xué)氣相沉積法、模板法、氣-液-固法等，制備出來納米線均是集聚的納米線，即成千上萬根納米線的團簇。而研究單根納米線的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，需要從集聚的納米線中分散出單根納米線，然后再利用昂貴設(shè)備，例如加工離子束(FIB)等，操縱單根納米線轉(zhuǎn)移到電子或光子器件上，以完成納米器件的制作。這種基于單根納米線器件制備的傳統(tǒng)方法不僅耗時費力，也不經(jīng)濟環(huán)保。這需要我們在技術(shù)上發(fā)明一種簡單、可靠、便捷、經(jīng)濟、適用范圍廣的方法，來實現(xiàn)基于單根納米線的轉(zhuǎn)移，特別是在光子集成技術(shù)的波導(dǎo)器件上實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能從納米線團簇中分散出單根納米線，并且精確定位轉(zhuǎn)移單根納米線至波導(dǎo)的基于納米器件的單根納米線的轉(zhuǎn)移方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于波導(dǎo)器件的單根納米線的轉(zhuǎn)移方法，具體步驟如下：

（1）分散納米線：取一干凈的硅片，依次用乙醇、去離子水在超聲波中清洗，并用高純氮氣吹干；將納米線樣品微力壓印并摩擦已洗凈的硅片，硅片上得到少量且平行于硅片表面的納米線；

（2）納米線轉(zhuǎn)移至有機膜：采用旋涂法在分布納米線的硅片上鍍上一層有機膠薄膜，輕微劃開硅片邊緣四周的有機膠薄膜并保持有機膠薄膜的完整，將硅片邊緣的有機膠薄膜與硅片分離；

（3）有機膜脫離：將硅片放入含水的培養(yǎng)皿中靜置，將硅片上表面與水平面齊平且將有機膠薄膜露出水面，使水滲入硅片與有機膠薄膜的間隙，并用氣槍輕微吹有機膠薄膜邊緣，使有機膠薄膜脫離硅片，將硅片表面的納米線轉(zhuǎn)移至有機膠薄膜的下表面，將少量水注入培養(yǎng)皿，使帶有納米線的有機膠薄膜浮在水面上；

（4）有機膜移至帶孔托盤：通過聚二甲基硅氧烷粘附劑將有機膠薄膜的上表面粘附在有孔的托盤上，同時將有機膠薄膜的納米線區(qū)域置于托盤孔的位置；

（5）波導(dǎo)器件上的光刻膠開窗口：將波導(dǎo)器件上旋涂一層光刻膠，通過曝光-顯影工藝，在需要轉(zhuǎn)移納米線的波導(dǎo)器件位置處開一個裸露出波導(dǎo)器件的窗口，窗口尺寸略大于待轉(zhuǎn)移納米線尺寸；

（6）轉(zhuǎn)移納米線至窗口：將托盤放置于光學(xué)顯微鏡下的高度固定的框架上，框架下可升降的樣品臺粘上需要轉(zhuǎn)移納米線的波導(dǎo)器件；在光學(xué)顯微鏡下，透過孔能夠依次觀察到納米線和波導(dǎo)器件；通過光學(xué)顯微鏡選定要轉(zhuǎn)移的納米線，調(diào)整托盤角度，將待轉(zhuǎn)移納米線對準波導(dǎo)器件上的窗口，緩慢升高樣品臺直至待轉(zhuǎn)移納米線嵌入窗口，即待轉(zhuǎn)移納米線接觸至指定位置；

（7）有機膜脫離聚二甲基硅氧烷：將樣品臺上的波導(dǎo)器件加熱到60-120℃，并保持10-60分鐘以上，直至有機膠薄膜趨于軟化，降低樣品臺直至波導(dǎo)器件與聚二甲基硅氧烷脫離，并將波導(dǎo)器件移出樣品臺；此時波導(dǎo)器件上有納米線，納米線上方覆蓋著有機膠薄膜；窗口里的納米線粘附在波導(dǎo)器件指定位置上，其它未選取的納米線夾在波導(dǎo)器件上的光刻膠和有機膠薄膜之間；

（8）增加納米線與波導(dǎo)的黏附力：將波導(dǎo)器件放入退火爐，控制退火溫度小于納米線熔點或晶化溫度，處理10-60分鐘，充分增加窗口內(nèi)的納米線與波導(dǎo)器件的黏附力；

（9）移除有機薄膜及光刻膠：將波導(dǎo)器件放置在丙酮中，使光刻膠和有機膠薄膜充分溶解，夾在光刻膠和有機膠薄膜之間的納米線脫離波導(dǎo)器件，同時，轉(zhuǎn)移的納米線牢牢固定在窗口的波導(dǎo)器件上，通過丙酮和乙醇的沖洗，波導(dǎo)器件上只留下轉(zhuǎn)移的納米線，即完成單根納米線的轉(zhuǎn)移。

步驟（1）中所述的納米線樣品的尺寸小于硅片尺寸且所述的納米線樣品在硅片的中央位置輕微摩擦，所述的納米線的直徑約為400-500nm，長約為7-12μm，所述的納米線樣品包括Si、Si3N4、SiC、Ge-Te、Sb-Te、Ge-Sb-Te、Cd-Te、In-S和Ga-Sb半導(dǎo)體納米線。

步驟（2）所述的有機膠薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或甲基丙烯酸甲酯(MMA)，有所述的有機膠薄膜的厚度為500-1000nm。

步驟（5）所述的波導(dǎo)器件為硅基器件，所述的硅基器件包括光電探測器、存儲器、光調(diào)質(zhì)器和光開關(guān)，所述的光刻膠的厚度與轉(zhuǎn)移的納米線的直徑相同。

步驟（6）所述的框架下可升降的樣品臺采用光刻膠作為粘附劑粘上需要轉(zhuǎn)移納米線的波導(dǎo)器件。使波導(dǎo)固定在樣品臺上，不能有晃動。

步驟（8）所述的退火溫度為100-400℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明一種基于波導(dǎo)器件的單根納米線的轉(zhuǎn)移方法，該方法通過壓印方法從沉積的納米線樣品取出少量納米線，經(jīng)過顯微鏡選取納米線并定位，利用熱效應(yīng)和范德華力作用使得納米線吸附在波導(dǎo)上，采用退火處理增加納米線和波導(dǎo)之間的黏附力。其能從納米線團簇中分散出單根納米線，并且精確定位轉(zhuǎn)移單根納米線至波導(dǎo)器件的方法，且轉(zhuǎn)移后，其它未選取的納米線不會污染波導(dǎo)器件。本方法為制備基于單根納米線的光子器件提供了解決方案，在光子集成、高密度、多功能的光子芯片中具有重要的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為實施例1的GeTe納米線掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscope ，簡稱SEM）照片；

圖2為實施例1的波導(dǎo)器件的光學(xué)顯微鏡照片；

圖3為實施例1的納米線轉(zhuǎn)移后的波導(dǎo)器件光學(xué)顯微鏡照片；

圖4為實施例2的納米線轉(zhuǎn)移后的波導(dǎo)器件光學(xué)顯微鏡照片。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

一、具體實施例

實施例1

采用沉積在硅上的GeTe納米線，直徑約為400nm，長約為7μm，其如圖1所示。波導(dǎo)芯片尺寸為2×2cm²，波導(dǎo)寬和厚的尺寸分別為1300和330nm，如圖2所示。將待轉(zhuǎn)移的GeTe納米線樣品切成0.3×0.3 cm²的小片，用此小片(生長有納米線的表面)壓印并輕微摩擦已洗凈的1×1cm²硅片中央?yún)^(qū)域。再將此硅片旋涂PMMA8.0，以1600rpm的轉(zhuǎn)速，旋涂100s，有機膜的厚度約為600nm；之后，采用牙簽輕微劃開硅片四周約2mm的有機膜，使四周的有機膜與硅片分離；將此硅片放入培養(yǎng)皿，并注入水，水不能完全掩蓋硅片，與有機膜同高，用氮氣槍輕吹有機膜，助其在水中與硅片脫落。脫落后，再注入水，使得有機膜浮在在水面上。再用帶孔托盤及PDMS粘上浮在水面上的有機膜，放在顯微鏡固定的框架上。在待轉(zhuǎn)移的波導(dǎo)芯片上旋涂PMMA8.0約400nm，采用電子束曝光在待轉(zhuǎn)移的波導(dǎo)上開一個窗口，并用甲基異丁基酮作為顯影液充分顯影，使得波導(dǎo)上的窗口里面無殘留的光刻膠。將樣品臺用PMMA8.0潤濕，放置波導(dǎo)芯片，PMMA8.0干涸后，波導(dǎo)芯片被固定在樣品臺。通過光學(xué)顯微鏡將選取的納米線對齊窗口，上升樣品臺直至納米線與波導(dǎo)直接接觸。將樣品臺上的波導(dǎo)器件加熱到120℃，保持20分鐘后，下降樣品臺直至PDMS與納米線上層的PMMA8.0膜脫離。將樣品放入退火爐，在150℃下退火30分鐘后，浸入丙酮；5個小時后，取出波導(dǎo)芯片，用乙醇和去離子水洗凈得到基于單根納米線的光子器件。

上述制備的GeTe納米線的光學(xué)顯微鏡如圖3所示，單根納米線成功轉(zhuǎn)移到波導(dǎo)，且與波導(dǎo)平行，而其它未選取的納米線不會停留在波導(dǎo)上，因而不會污染波導(dǎo)。

實施例2

同實施例1，其區(qū)別點在于，待轉(zhuǎn)移的GeTe納米線直徑約為500nm，長約為12μm；旋涂的光刻膠為甲基丙烯酸甲酯(MMA)；芯片上旋涂的PMMA8.0厚度為500nm；將納米線轉(zhuǎn)移在波導(dǎo)垂直方向上。

上述制備的GeTe納米線的光學(xué)顯微鏡如圖4所示，單根納米線成功轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)指定位置。

實施例3

同實施例1，其區(qū)別點在于，待轉(zhuǎn)移的納米線為Sb₂Te₃納米線，直徑約為200nm，長約為7μm；旋涂的光刻膠為氫基硅氧烷(HSQ)；芯片上旋涂的PMMA8.0厚度為200nm；將樣品臺上的波導(dǎo)器件加熱到110℃，保持20分鐘后，下降樣品臺直至PDMS與納米線上層的PMMA8.0膜脫離。將樣品放入退火爐，在110℃下退火30分鐘后，浸入丙酮；將納米線轉(zhuǎn)移在波導(dǎo)平行方向上。

實施例4

同實施例1，其區(qū)別點在于，待轉(zhuǎn)移的納米線為Si納米線，直徑約為100nm，長約為10μm；旋涂的光刻膠為SU-8；芯片上旋涂的PMMA8.0厚度為100nm；將樣品臺上的波導(dǎo)器件加熱到100℃，保持20分鐘后，下降樣品臺直至PDMS與納米線上層的PMMA8.0膜脫離。將樣品放入退火爐，在200℃下退火30分鐘后，浸入丙酮8小時；將納米線轉(zhuǎn)移在波導(dǎo)垂直方向上。

二、實驗結(jié)果分析

圖1為GeTe納米線樣品的掃描電鏡(SEM)圖?？梢钥闯?，納米上分布均勻、致密，其直徑約400nm，長度約為4-8μm。圖2是需要轉(zhuǎn)移納米線的波導(dǎo)器件光學(xué)顯微鏡圖。圖中氮化硅波導(dǎo)寬為1.3μm，高度為330nm，波導(dǎo)器件的基底為SiO₂(3300nm)/Si。圖3是直徑約為400nm的納米線轉(zhuǎn)移后的波導(dǎo)器件的光學(xué)顯微鏡圖。單根納米線平行于波導(dǎo)，其它未選取的納米線沒有污染波導(dǎo)。圖4是直徑為500nm線轉(zhuǎn)移后的波導(dǎo)器件的光學(xué)顯微鏡圖?？梢钥闯?，單根納米線成功實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。

綜上所述，本發(fā)明方法無需貴重設(shè)備探針操作，可簡單、經(jīng)濟地實現(xiàn)單根納米線的精確轉(zhuǎn)移，這為高密度、集成化基于單根納米線光子器件的制備提供了解決方案。

上述說明并非對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不限于上述舉例。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)作出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)力要求書為準。