[發明專利]一種多孔硅納米線陣列的制備方法

在審

• 申請號: 201810529306.4
• 申請日: 2018-05-29
• 公開（公告）號: CN108847383A
• 公開（公告）日: 2018-11-20
• 發明（設計）人: 李紹元;耿超;馬文會;何祖東;萬小涵;雷云;顏恒維;于潔;魏奎先;謝克強;楊斌;戴永年
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;B82Y10/00;B82Y40/00
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• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種多孔硅納米線陣列的制備方法，屬于納米材料技術領域。將硅片依次用丙酮、甲苯、乙醇、去離子水超聲分別清洗，由體積比為3:1H₂SO₄和H₂O₂混合的溶液浸泡，然后取出采用氫氟酸溶液中浸泡；將處理的硅片采用陽極電化學刻蝕方法常溫刻蝕，得到表面形成納米多孔硅層的硅片；然后繼續在金屬納米粒子催化作用下采用一步或兩步金屬納米顆粒輔助刻蝕法，得到刻蝕后多孔硅納米線陣列；將得到的刻蝕后多孔硅納米線陣列置于濃度為0.1~90wt%的氧化性溶液中浸泡10~600min，取出后用去離子水清洗后得到多孔硅納米線陣列。本發明采用陽極電化學腐蝕技術結合金屬催化化學刻蝕方法，能夠較好地實現納米多孔結構、尺寸以及硅納米線直徑、長度等參數的可控制備。

技術領域

本發明涉及一種多孔硅納米線陣列的制備方法，屬于納米材料技術領域。

背景技術

近年來，硅納米線作為一種新型的半導體材料，因其具備巨大的比表面積、量子限制效應、表面效應等特性，使得它們在光、電、熱、磁和催化反應等方面表現出奇特的物理化學性質，因而在光致發光、大規模集成電路、單電子器件、納米傳感器、能量轉換和存儲等領域展現出十分重要的運用潛力。

根據硅納米線的生長方向來分，通常其制備方法主要分“自下而上”和“自上而下”兩種。“自下而上”是指從原子分子水平出發，利用催化劑催化生長，在材料生長過程中對其結構、組分和尺寸等進行控制。盡管這類型的方法可以一次性生長出較大規模硅納米線樣品，但其難以實現硅納米線的定位生長，為后期電子器件的應用帶來巨大困難。“自上而下”是指從材料出發，利用激光或納米刻蝕技術來制備納米線材料，金屬納米顆粒輔助刻蝕法作為一種典型的“自上而下”制備技術，因其具有設備要求低、工藝簡單、生長參數易于控制、重復性好，可低成本合成高度有序的、高長徑比的硅納米線陣列等優點而備受關注。

然而，盡管目前已有關于金屬納米輔助刻蝕法制備多孔硅納米線陣列的報道，如《交替刻蝕制備有序鋸齒形硅納米線陣列及其光學性能研究》，何宵等，采用金屬催化化學刻蝕法，以金屬Ag為催化劑，在HF與H₂O₂體系中通過交替刻蝕在P（111）硅襯底上制備出鋸齒形硅納米線陣列。但由于多孔結構引入往往來源于金屬離子的再形核和氧化溶解過程，且該過程隨機性較強導致多孔硅納米線制備過程的可控性較差。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題及不足，本發明提供一種多孔硅納米線陣列的制備方法。本發明以單晶硅或多晶硅片為原料，采用陽極電化學刻蝕在硅片表面一定厚度范圍形成納米多孔硅結構，再結合納米金屬粒子（Ag、Pd、Au、Pt、Cu）催化刻蝕技術，運用一步或兩步金屬納米顆粒輔助刻蝕法制備大規模具有單晶結構的多孔硅納米線陣列結構，本發明可通過調節陽極電化學刻蝕過程中的刻蝕液組分和濃度、刻蝕電流密度和時間等參數控制納米多孔結構和尺寸，通過調節金屬納米粒子尺寸、氫氟酸濃度、氧化劑濃度、腐蝕時間等參數來實現不同直徑、長度等硅納米線陣列的可控制備；本發明中獲得的大規模多孔硅納米線陣列結構材料在電子、光學以及能量轉換和存儲等領域均展現出良好的應用前景。本發明通過以下技術方案實現。

一種多孔硅納米線陣列的制備方法，其具體步驟如下：

步驟1、將硅片依次用丙酮、甲苯、乙醇、去離子水超聲分別清洗1～20min，將清洗干凈的多晶硅片放入由體積比為3:1H₂SO₄和H₂O₂混合的溶液浸泡1~60min，然后取出置于濃度為0.1~40wt%的氫氟酸溶液中浸泡1~120min，再取出硅片后用去離子水沖洗干凈后備用；

步驟2、將經步驟1處理的硅片采用陽極電化學刻蝕方法，在施加外界電場的情況下，以經步驟1處理的硅片為陽極，鉑片電極為陰極，在HF溶液-乙醇-H₂O電解液溶液體系中，以陽極氧化電流密度為1~500mA/cm常溫刻蝕1~600min，得到表面形成納米多孔硅層的硅片；