[发明专利]有序排列、大长宽比、高密度的硅纳米线及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及其整体或部分由硅纳米线形成的结构、材料和组合物，以及形成这样的结构、材料和组合物的方法。

背景技术

在接下来的讨论中，参照特定的结构和/或方法。然而，下面的参照不应被理解为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确保留证明这样的结构和/或方法不符合现有技术的权利。

具有纳米尺度尺寸的结构具有独特而有用的性质，例如在一些纳米结构中观察到的量子行为。

一种这样的材料是硅纳米线。该纳米线可表征为表现出电子传递(electron transport)、光致发光和/或量子效应的一维、小尺度、大表面面积的线状材料。这样的材料对于特定的医疗和电子应用而言值得关注。

已经描述了许多种制造这种结构的技术。这些技术包括光刻、等离子体刻蚀、等离子体沉积、反应离子刻蚀、化学气相沉积、激光烧蚀、溅射、热蒸发分解、电子束蒸发、超临界气体-液体固体合成、电化学溶解，以及金属诱导局部氧化和溶解。

美国专利No.5,348,618公开了一种据称用于形成硅纳米线的化学溶解过程。该过程包括第一阳极电镀步骤，随后为第二化学溶解步骤以增加孔隙大小。该专利中没有包含可见的证据(例如，照片)来证明实际上获得了沿(001)方向的有序排列(well-aligned)硅纳米线。

美国专利No.5,458,735描述了用于形成具有发光性质的“微孔硅层”的方法。其中描述的方法包括在硅晶片置于酸性溶液中的至少一部分时间期间照射硅晶片的阳极侧。微孔层除了p+掺杂区域之外还包括n+掺杂区域，由此形成p-n结。该专利并没有讨论硅纳米线的形成。

美国专利No.5,552,328描述了多孔硅发光二极管阵列的形成。对多孔硅形态的唯一讨论描述了“类似圆柱状的硅结构”。该圆柱据称具有50-100纳米量级的直径。该多孔硅通过电化学溶解方法制成。报道的蚀刻电流为10mA/cm²，蚀刻溶液为HF:H₂O＝1:3。该过程被描述为在照射时发生。并且，其中描述的多数实施例包括复杂的硅结构，例如p-n结或“多硅”。

2005年Andrea Edit of University of Oulu的名为“Investigation ofPristine and Oxidized Porous Silicon”的论文讨论了多孔硅的合成和性质。该论文中注意到，多孔硅可以包括晶态硅纳米线。然而，该论文并没有详细讨论硅纳米线的形态或特性，或者其形成的机制。并且，该论文并没有描述自立式纳米线或者从衬底获得它们的技术。

尽管有这些技术在使用，但是仍然存在对简单而物有所值的制造方法的需求，需要这样的方法来大量形成具有可剪裁的几何形状的有序排列的、大长宽比的硅纳米线。

发明内容

根据本发明，提供了一种沿(001)方向(垂直于<100>硅衬底)的有序排列的、大长宽比、高密度且纳米大小(例如，<10nm)的硅纳米线。此外，可在硅纳米线和硅衬底之间形成沿(100)平面(平行于<100>硅衬底)的硅网络结构。可通过超声处理获得独立(free-standing)式硅纳米线捆束和(独立于衬底的)硅网络。结果是高度可重复的，并且产物的几何形状是高度(highly)可控的。

根据本发明一个方面执行的用于产生上述硅纳米线的方法包括仅仅用低浓度(例如，5-20％)乙酸氢氟酸(ethanoic hydrofluoric acid)蚀刻溶液和相对较高的电流密度(例如，15-30mA/cm²)电化学蚀刻重度掺杂的p型硅晶片的单一步骤来产生超高孔隙率(例如，>80％)的结构，而不需要进一步的化学溶解。

本发明的一个可选实施例提供通过电化学蚀刻硅衬底来产生硅纳米线的方法，该方法包括提供掺杂的硅材料形式的衬底；配制包含乙醇和氢氟酸的蚀刻溶液，该蚀刻溶液包含1-38％体积的氢氟酸；施加1-2,000mA/cm²的电流密度；电化学蚀刻上述衬底1秒至24小时。

根据另一可选方面，本发明提供通过上述方法获得的一个或多个硅纳米线。

根据另一个替代实施例，本发明提供一种包含硅纳米线的结构，该结构包括有序排列的、密排的硅纳米线捆束，每一纳米线具有小于约50nm的直径和10nm-100微米的长度，纳米线的尺寸基本均匀，该结构基本由硅和氧以元素形式或作为化合物构成，该结构具有至少80％的孔隙率。