[发明专利]一种多维度图案化硅基纳米草制备方法及其应用

说明书

多维度图案化硅基纳米草制备方法及其应用，包括金属辅助化学刻蚀硅基纳米草系列实验及参数设计；电场/电流辅助下多维度复杂结构表面上硅基纳米草的制备；基于光刻掩膜工艺的图案化硅基纳米草。本发明研究了金属辅助化学刻蚀硅基纳米草中的各项参数，为之后不同应用场景中工艺参数的选择提供了重要的参考依据；采用了电场/电流的辅助方法，设计了专用电流/电场下金属辅助化学刻蚀的实验平台，克服了传统制备方法中对重力的依赖性以及横向刻蚀的不可控性，实现了多维度复杂结构表面的硅基纳米草湿法可控制备技术；采用图案化掩膜方案，结合前期光刻及湿法工艺制备图案化掩膜，阻隔掩膜部分刻蚀反应的进行，实现硅基纳米草的图案化选择性刻蚀。

技术领域

本发明涉及一种硅基纳米草制备方法及其应用，尤其是，涉及一种多维度图案化硅基纳米草制备方法及其应用。

背景技术

半导体上的纳米草以其独特的结构、光学、电学、机械和热学性能引起了人们的极大关注。硅基一维纳米结构在流体动力学、纳米电子学、热电、光伏、电池电极和生物传感器等方面得到了广泛的研究。例如硅基纳米草在涂覆氟化物之后，能够形成稳定的超疏水表面，在微通道减阻、液滴动力学、沸腾传热等方面具有极大的潜在价值，此外，单晶多孔硅纳米草还被发现具有电活性和光学活性，而且已经证明它们可以作为光催化降解有机染料和有毒污染物的有效光催化剂。

金属辅助化学刻蚀法是制备硅基纳米草的常用方法之一，这一方法具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点，可大规模商业化应用，因而近年来被广泛研究。根据金属纳米颗粒的沉降和刻蚀是否同时发生，可以将金属辅助化学刻蚀发分为一步法和两步法。沉降和刻蚀发生在同一溶液中称为一步法，而金属纳米颗粒先沉降后刻蚀称为两步法。根据实验表明，一步法所得到的硅基纳米草顶端不易聚集成簇，但硅基纳米草均匀性较差，两步法所得到的硅基纳米草顶端易聚集但均匀性较好。

近来已有相关学者对硅基纳米草的生长和应用进行了探索，初步阐明了银辅助化学腐蚀两步法的硅基纳米草形成机制。例如Zhong等人(Zhong X，Qu Y，Lin YC，Liao L，Duan X.Unveiling the formation pathway of single crystalline porous siliconnanowires[J].ACS Appl Mater Interfaces.2011 Feb；3(2)：261-70.)通过改变硅片的电阻率、氧化剂(H₂O₂)的浓度和硝酸银的用量等多个实验参数，制备出不同孔隙率的硅基纳米草，如表1、表2所示。研究发现硅基纳米草根部的银纳米颗粒可以转化为银离子，并在硅基纳米草的侧壁上重成核。研究还提出具有高比表面积的垂直排列的纳米线可以作为超级电容器的大容量电极，同时在生物医学成像和药物输送方面具有潜在的应用价值。

表1氧化剂浓度和硅片电阻率与实验纳米草长度

注：将镀银硅片浸泡在含有4.8mol/LHF和不同浓度的H₂O₂溶液中化学刻蚀30min

表2刻蚀时间和硅片电阻率与实验纳米草长度

注：将镀银硅片浸泡在含有48mol/L HF和不同浓度的H₂O₂溶液中化学刻蚀30min