[發明專利]一種Si納米線陣列的制備方法

無效

• 申請號: 201310232302.7
• 申請日: 2013-06-13
• 公開（公告）號: CN103337455A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 何海平;甘露;孫陸威;葉志鎮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L21/306
• 分類號: H01L21/306;H01L21/28;C01B33/021;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種Si納米線陣列的制備方法，尤其可用作中紅外等離激元的Si納米線陣列的制備方法。

背景技術

表面等離激元是金屬納米結構中自由電子的共諧振蕩。表面電荷振蕩與光波電磁場之間的相互作用使得表面等離激元擁有了很多獨特的有意義的光學性質，例如對光的選擇性吸收和散射、局域電場增強、電磁波的亞波長束縛等。近年來，隨著納米加工和制備技術以及理論模擬分析手段的發展，人們對表面等離激元的機理和應用的研究逐漸廣泛和深入，使其迅速發展成為一門新興的學科——等離激元光子學，并在生物、化學、能源、信息等領域具有重要的應用前景。目前，被用作等離激元材料的主要為一些貴金屬（Ag和Au等），盡管它們具有納米結構制備簡單、在外界環境下性質穩定等優點，但是將金屬集成到有源器件中是十分困難的，這一直是制約等離激元廣泛應用在有源器件上的瓶頸。

???研究者進行了各種方法嘗試將等離激元應用到有源器件上，尋找能夠代替貴金屬作為等離激元的材料是其中的一個主要方法。而半導體材料經摻雜后，電子濃度達到一定數值，可以形成表面等離激元，并且通過調節電子濃度，可調節表面等離激元共振波長。半導體材料如今已被認為是一種更為靈活的、可以作為等離激元的材料，受到了很多的關注。目前，膠體分散的納米尺寸的半導體的可見與近紅外的局域表面等離激元已成功制備，包括Cu₂S、Cu₂Se、ITO、ZnO?納米晶以及WO₃納米棒等。但是這些半導體材料由于其各方面的限制，并沒有在工業上得到廣泛的應用與生產。

????Si作為一種已經被廣泛應用于半導體器件制造的材料，非常適合用于表面等離激元光子學。無論是在納米結構的制備方法上，還是在其摻雜與界面控制上，Si相對于其他半導體材料都有著巨大的優勢。早在50年前，就已有關于重摻Si納米結構的中紅外光學特性的報道，而最近的一些研究更加顯示出Si是一種理想的可用作表面等離激元的材料。

???金屬輔助化學刻蝕法是一種十分簡便、可控性好，可大批量生產的制備Si納米線陣列的方法。目前，尚無將金屬輔助化學刻蝕法制備得到的Si納米線陣列用作等離激元超材料的報道。

發明內容

???本發明的目的是針對目前貴金屬難以集成到有源器件中以及其他一些可用作等離激元的半導體材料不能工業批量生產等問題，提出一種可用作中紅外等離激元的Si納米線陣列的制備方法。

???本發明的Si納米線陣列的制備方法，采用的是金屬輔助化學刻蝕法，具體包括以下步驟：

1）將重摻（1?0?0）型硅片用RCA方法清洗后，放入質量濃度97％的硫酸和質量濃度30%的雙氧水按體積比為3：1的混合液中，浸泡至少10?min，用去離子水沖洗，再放入體積濃度10%的氫氟酸緩沖液中浸泡至少3?min；

2）將氫氟酸和硝酸銀混合，配制成反應液I，氫氟酸的濃度為4.65?mol/L，硝酸銀的濃度為0.02?mol/L；將氫氟酸與雙氧水混合，配制成反應液II，氫氟酸的濃度為4.65?mol/L，雙氧水濃度為0.5?mol/L；

3）將經步驟1）處理的硅片拋光面朝上水平放入反應液I中，浸泡1?min取出，用去離子水沖洗后放入反應液II中，反應30～90?min后，在硅片上形成Si納米線陣列，將其從反應液Ⅱ中取出，放入質量濃度為30%的硝酸溶液中，浸泡至少1?h，去除Si納米線陣列表面的金屬銀顆粒，用去離子水反復沖洗，干燥。

上述的RCA方法是一種濕式化學清洗法：將硅片放入體積比為1：1：5的氨水、雙氧水和去離子水的混合溶液，在80℃水浴鍋中煮20min，去除Si片表面的有機物。

上述重摻（1?0?0）型硅片的電阻率為0.001~0.01?Ω·cm～0.01~0.03?Ω·cm。

???本發明方法所用的方法為兩步反應法。第一步反應液I反應的作用相當于在硅襯底表面形成由銀顆粒組成的孔洞，以保證第二步反應的順利進行。第二步反應液II反應是本方法的主體反應，形成的Si納米線的尺寸、形貌均由該反應來控制。

???本發明反應過程中，通過調節硅片在反應液II中的反應時間可以控制所制備的Si納米線陣列的長度。?

???Si經摻雜后，電子濃度達到一定數值，可以形成表面等離激元，并且通過調節電子濃度，可調節表面等離激元共振波長。Si納米線的表面等離激元共振在中紅外波段，對納米線而言，其形貌（長度，尺寸等）也會影響表面等離激元共振波長。