[发明专利]一种柱状阵列结构硼掺杂金刚石微纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米材料技术领域，涉及一种硼掺杂金刚石微纳米材料及其制备方法。

背景技术

硼掺杂金刚石材料具有电势窗口宽、析氧电位高、背景电流低、抗腐蚀、化学性质稳定等特性，可以作为电极材料用于电化学分析中，也可以作为p型半导体用于制备异质结。微纳米结构材料所具有的高比表面积特性使其在电化学分析、污染控制等方面具有潜在的应用价值，引起人们对金刚石的微纳米结构研究的重视。

目前研究人员主要通过化学气相沉积、结合活性离子刻蚀技术和应用模板法，辅助热丝化学气相沉积技术，制备微纳米结构、纳米结构阵列金刚石，如Masuda，H.等人在Adv.Mater.(2000，12，444～447)上发表的：“Fabricationof a Nanostructured Diamond Honeycomb Film”(蜂窝状纳米结构金刚石膜的制备)一文中，描述了以化学气相沉积法制备金刚石膜，阳极氧化法制备通透的多孔氧化铝膜作为掩膜，应用氧等离子体刻蚀的方法，制备得到直径细微的蜂窝状金刚石膜，其制备过程比较繁杂，多孔氧化铝薄膜的整体性不强，在活性氧离子刻蚀的过程中可能会破坏硼掺杂金刚石的晶面结构。DaibingLuo等人在ACS.Nano.(2009，3，2121-2128)上发表的“Fabrication of Boron-Doped Diamond Nanorod Forest Electrodes and Their Application inNonenzymatic Amperometric Glucose Biosensing”(硼掺杂金刚纳米柱丛林的制备及在非酶作用的葡萄糖生物传感器的应用)一文中，提出采用无电金属沉积的方法制备硅纳米线基底，以含有三甲基色氨酸的丙酮溶液作为碳源，采用热丝气相沉积的方法，获得长几微米、直径约为1μm的硼掺杂金刚石纳米柱丛林，但无电金属沉积的方法制备的硅纳米线有序性差，因此无法得到有序阵列的硼掺杂金刚石纳米丛林，且获得的硼掺杂金刚石纳米柱的直径不均一，也不具备可控性。

在电化学过程中，有序结构的电极有利于物质和电子的传递，同时也有助于参与电化学过程的物质与电极的接触和作用，从而使电信号的捕捉更容易；有序结构在尺寸上的均一会使电极对电子的传递能力趋于一致，更容易确定电信号与被测物质浓度的定量关系。因此，结构有序、尺寸均一、可控的硼掺杂金刚石电极将会在电化学方面得到更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的，是克服现有的硼掺杂金刚石微纳米材料的不足，提供一种比表面积大、具有高度有序的柱状结构的硼掺杂金刚石微纳米材料及其制备工艺，并实现对硼掺杂金刚石阵列柱在直径和高度上的可调控性。

本发明的技术方案为：

一种柱状阵列结构硼掺杂金刚石微纳米材料，是在硅基底上制备的，其特征在于：硅基底为采用光刻技术在硅上形成单个柱高为5～20μm、柱直径为1～10μm、柱间距为2～10μm的柱状阵列结构，硅柱的轴向相互平行；在硅基底上先超声接种金刚石种子，再以甲烷为碳源、硼烷为硼掺杂剂、采用微波等离子体化学气相沉积法形成厚度为0.5～2μm的硼掺杂金刚石膜，制成柱状阵列结构硼掺杂金刚石微纳米材料，单个硼掺杂金刚石柱高度为5.5～22μm、直径为2～14μm、柱间距为0.4～8μm，硼掺杂金刚石柱轴向相互平行，形成有序的柱状阵列结构。

本发明的柱状阵列结构的硼掺杂金刚石微纳米材料的制备步骤如下：

第一步，选择晶面为(101)或(111)或(110)的硅，采用光刻技术制备出具有单个柱高为5～20μm、直径为1～10μm、柱间距离为2～10μm的柱状阵列的硅基底；

第二步，对步骤一制备出的硅基底进行清洗、超声接种金刚石种子，金刚石种子溶液为0.5～5g金刚石粉分散在100mL的丙酮中，接种时间为10～30min；

第三步，接种过金刚石种子的硅基底放置在微波等离子体化学气相沉积反应室内，反应室抽真空后通入氢气使反应室压力上升到1000～2000Pa，再通入甲烷气和氢气稀释的体积浓度为0.5‰的硼烷气，氢气、甲烷气的流量分别为50～100sccm和1～10sccm，甲烷气与体积浓度为0.5‰的硼烷气的流量比为1∶5～1∶20，控制通入的气体逐步将反应压力升至4000～8000Pa，反应温度为500～1000℃，反应时间为2～8h。