[发明专利]一种多孔硅纳米线阵列的制备方法

说明书

本发明涉及一种多孔硅纳米线阵列的制备方法，属于纳米材料技术领域。将硅片依次用丙酮、甲苯、乙醇、去离子水超声分别清洗，由体积比为3:1H₂SO₄和H₂O₂混合的溶液浸泡，然后取出采用氢氟酸溶液中浸泡；将处理的硅片采用阳极电化学刻蚀方法常温刻蚀，得到表面形成纳米多孔硅层的硅片；然后继续在金属纳米粒子催化作用下采用一步或两步金属纳米颗粒辅助刻蚀法，得到刻蚀后多孔硅纳米线阵列；将得到的刻蚀后多孔硅纳米线阵列置于浓度为0.1~90wt%的氧化性溶液中浸泡10~600min，取出后用去离子水清洗后得到多孔硅纳米线阵列。本发明采用阳极电化学腐蚀技术结合金属催化化学刻蚀方法，能够较好地实现纳米多孔结构、尺寸以及硅纳米线直径、长度等参数的可控制备。

技术领域

本发明涉及一种多孔硅纳米线阵列的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

近年来，硅纳米线作为一种新型的半导体材料，因其具备巨大的比表面积、量子限制效应、表面效应等特性，使得它们在光、电、热、磁和催化反应等方面表现出奇特的物理化学性质，因而在光致发光、大规模集成电路、单电子器件、纳米传感器、能量转换和存储等领域展现出十分重要的运用潜力。

根据硅纳米线的生长方向来分，通常其制备方法主要分“自下而上”和“自上而下”两种。“自下而上”是指从原子分子水平出发，利用催化剂催化生长，在材料生长过程中对其结构、组分和尺寸等进行控制。尽管这类型的方法可以一次性生长出较大规模硅纳米线样品，但其难以实现硅纳米线的定位生长，为后期电子器件的应用带来巨大困难。“自上而下”是指从材料出发，利用激光或纳米刻蚀技术来制备纳米线材料，金属纳米颗粒辅助刻蚀法作为一种典型的“自上而下”制备技术，因其具有设备要求低、工艺简单、生长参数易于控制、重复性好，可低成本合成高度有序的、高长径比的硅纳米线阵列等优点而备受关注。

然而，尽管目前已有关于金属纳米辅助刻蚀法制备多孔硅纳米线阵列的报道，如《交替刻蚀制备有序锯齿形硅纳米线阵列及其光学性能研究》，何宵等，采用金属催化化学刻蚀法，以金属Ag为催化剂，在HF与H₂O₂体系中通过交替刻蚀在P（111）硅衬底上制备出锯齿形硅纳米线阵列。但由于多孔结构引入往往来源于金属离子的再形核和氧化溶解过程，且该过程随机性较强导致多孔硅纳米线制备过程的可控性较差。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种多孔硅纳米线阵列的制备方法。本发明以单晶硅或多晶硅片为原料，采用阳极电化学刻蚀在硅片表面一定厚度范围形成纳米多孔硅结构，再结合纳米金属粒子（Ag、Pd、Au、Pt、Cu）催化刻蚀技术，运用一步或两步金属纳米颗粒辅助刻蚀法制备大规模具有单晶结构的多孔硅纳米线阵列结构，本发明可通过调节阳极电化学刻蚀过程中的刻蚀液组分和浓度、刻蚀电流密度和时间等参数控制纳米多孔结构和尺寸，通过调节金属纳米粒子尺寸、氢氟酸浓度、氧化剂浓度、腐蚀时间等参数来实现不同直径、长度等硅纳米线阵列的可控制备；本发明中获得的大规模多孔硅纳米线阵列结构材料在电子、光学以及能量转换和存储等领域均展现出良好的应用前景。本发明通过以下技术方案实现。

一种多孔硅纳米线阵列的制备方法，其具体步骤如下：

步骤1、将硅片依次用丙酮、甲苯、乙醇、去离子水超声分别清洗1～20min，将清洗干净的多晶硅片放入由体积比为3:1H₂SO₄和H₂O₂混合的溶液浸泡1~60min，然后取出置于浓度为0.1~40wt%的氢氟酸溶液中浸泡1~120min，再取出硅片后用去离子水冲洗干净后备用；

步骤2、将经步骤1处理的硅片采用阳极电化学刻蚀方法，在施加外界电场的情况下，以经步骤1处理的硅片为阳极，铂片电极为阴极，在HF溶液-乙醇-H₂O电解液溶液体系中，以阳极氧化电流密度为1~500mA/cm常温刻蚀1~600min，得到表面形成纳米多孔硅层的硅片；