[發(fā)明專利]不同線密度的一維硅納米線的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210325381.1
• 申請日: 2012-09-05
• 公開（公告）號: CN102815701A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姬廣斌;劉有松;汪俊逸;梁渲祺;張興淼
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C01B33/021
• 分類號: C01B33/021;B82Y30/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化材料領(lǐng)域，尤其涉及不同線密度的一維硅納米線（SiNWs）列陣的制備方法。

背景技術(shù)

環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)前人類面臨的重大挑戰(zhàn)。光催化過程可將取之不盡的低密度太陽光能轉(zhuǎn)換為高密度的化學(xué)能和電能，同時還可以直接利用太陽光與光催化材料作用所發(fā)生的物理化學(xué)變化降解礦化水和空氣中的絕大部分污染物，因而光催化在環(huán)境凈化和新能源開發(fā)等方面顯示出巨大的潛力。光催化材料催化活性和穩(wěn)定性高，價格便宜，環(huán)境友好，在環(huán)境污染控制領(lǐng)域大有作為。近年來，關(guān)于半導(dǎo)體TiO₂的研究表明其在光催化領(lǐng)域具有巨大潛力。但是由于其較寬的禁帶寬度，因而對于光能的利用率極為有限。

相比TiO₂等其它半導(dǎo)體材料，硅（Eg=1.12?eV）可大量的利用太陽光中的可見光光子能量。其光催化性能研究起步比較晚，自2009年才開始被報道。研究表明，硅較窄的禁帶寬度導(dǎo)致了其光生電子-空穴極易發(fā)生復(fù)合，光電轉(zhuǎn)換效率降低，納米化是解決這一問題的有效途徑。然而，硅納米材料雖然具有較大的比表面積，但其表面容易被污染，而且當(dāng)其浸入含水的溶液中時容易吸附-OH而被羥基化。甚至當(dāng)純硅納米材料長期暴露在濕潤的空氣中時可能與O₂等吸附擴散形成SiO_x納米線，影響硅納米材料對光的吸收。因此在紫外漫反射，光電流特性和光催化反應(yīng)過程中光電性能較差。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種不同線密度的一維納米線的制備方法，該方法獲得的一維納米線陣列具有良好光催化和吸收性能，且能通過調(diào)整工藝參數(shù)控制硅納米線的形貌和密度，制備方法簡單、成本低廉無污染。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種不同線密度的一維硅納米線的制備方法，包括以下步驟：a、硅片的預(yù)處理：硅片經(jīng)清洗后，浸入氫氟酸溶液中去除表面的氧化層，并用氫氣吹干；b、金屬催化刻蝕法制備一維硅納米線陣列，分以下兩步：第一步，沉積銀納米顆粒：將經(jīng)預(yù)處理的硅片于HF-AgNO₃的混合水溶液中浸漬20～40s，其中HF的濃度為0.1～0.2mol/L，AgNO₃的濃度為0.008～0.012mol/L；第二部，金屬輔助刻蝕：將第一步得到硅片浸入HF-H₂O₂的混合刻蝕液中，并在室溫下刻蝕20～40min；c、后處理：將刻蝕完的硅片置于HNO₃溶液中，去除沉積的Ag粒子，然后用去離子水清洗，最后在60℃下干燥。

本方法中，所述HF-H₂O₂的混合刻蝕液中各組分的體積百分比如下：20%的HF、10～30%的H₂O₂，以及余量的水。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明關(guān)鍵點在于所制備的一維SiNWs陣列參數(shù)的可調(diào)性，并且較之體硅材料，其在紫外漫反射，光電流特性和光催化反應(yīng)過程中光電性能有明顯的提高：

（1）本發(fā)明所述的一維SiNWs陣列制備方法用料簡單，制備工藝操作簡便，無需復(fù)雜的合成設(shè)備，成本低；

（2）通過調(diào)節(jié)刻蝕液中H₂O₂的濃度可得到不同線密度的一維SiNWs陣列，其形貌特征影響其光電性能；

（3）由于硅具有較窄的禁帶寬度，因此該SiNWs在紫外光跟可見光下都能被激發(fā)。激發(fā)所產(chǎn)生的光生電子和空穴能夠有效的提高該結(jié)構(gòu)的光催化性能；

（4）該SiNWs具有很強的光吸收能力：體硅材料能夠反射35%的入射光，而所制備的SiNWs由于陷光效應(yīng)，對光的反射幾乎為零（如圖3）。說明納米線結(jié)構(gòu)更有利于其對光的收集及利用；

（5）光電流測試表明所制備的SiNWs相對于體硅材料而言，光電流明顯提高（如圖4）；

（6）該SiNWs光催化性能得到提高：納米結(jié)構(gòu)由于具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等理化性質(zhì)，因而能夠改善體硅材料的光電性能。光催化曲線表明納米化克服了體硅材料結(jié)構(gòu)上的缺陷，使其光降解能力得到了較大的改善。

附圖說明