CN102127742A

CN102127742A - 一种利用离子束轰击制备硅纳米锥阵列的方法

Info

Publication number: CN102127742A
Application number: CN 201110049752
Authority: CN
Inventors: 周靖; 陆明
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明属于硅纳米材料技术领域，具体为一种利用离子束轰击制备硅纳米锥阵列的方法。其步骤包括：构建真空环境，离子溅射时真空腔气压保持在2×10^-2Pa以下；在真空腔内放置所要掺杂的金属，形成离子束轰击过程中的金属共掺杂；用离子束轰击硅片以及所要掺杂的金属，离子束能量500eV~10keV；离子束流密度150mAcm^-2~2000mAcm^-2；轰击时间20min~260min。本发明制备硅纳米锥阵列无需掩膜，免去了掩膜制备的复杂工艺流程。制备的硅纳米锥阵列的表面在可见光至近红外波段的反射率低于10%，即具有抗反射效果。

Description

一种利用离子束轰击制备硅纳米锥阵列的方法

技术领域

本发明属于硅纳米材料技术领域，具体涉及一种硅纳米锥阵列的制备方法。

背景技术

由于表面折射率渐变效应以及光子多次散射而导致的陷光效应，硅表面纳米锥阵列（几百纳米量级）具有明显的抗反射效果。这样的硅材料能够大幅提高硅基太阳能电池的效率；作为半导体电极能够提高染料或量子点敏化电池的电荷收集效率；在光伏产业以及光电化学领域都有重要的应用价值。然而，目前用于制备硅表面纳米锥阵列的方法大多涉及复杂的工艺和较高的成本（例如，掩膜制备、光刻和反应离子刻蚀等），使得该材料的生产应用以及后续功能的开发受到局限。

发明内容

本发明的目的在于提出一种简便的制备具有抗反射效果的自组织硅纳米锥阵列的方法。

本发明提出的制备具有抗反射效果的自组织硅纳米锥阵列的方法，利用离子束溅射技术，具体步骤如下：

1、构建真空环境：在进行离子束溅射之前，使溅射系统真空腔的基础气压低于1×10^-5 Pa；离子溅射时由于电离气体持续输入真空腔，气压保持在2×10^-2 Pa以下；

所述离子种类可为Ar⁺、Xe⁺、Kr⁺等；

2、在真空腔内放置所要掺杂的金属，并使其在离子束轰击硅片过程中能够被离子束溅射并沉积在硅片表面，形成离子束轰击过程中的金属共掺杂；

所述掺杂的金属种类可为Fe、Mo、W、Au、Ag等；

3、用离子束轰击硅片以及所要掺杂的金属，离子束能量500 eV ~ 10 keV；离子束流密度150 mA cm^-2 ~ 2000 mA cm^-2；轰击时间20 min ~ 260 min（相当于轰击剂量1×10¹⁸ ion cm^-2 ~ 1×10²⁰ ion cm^-2）。

轰击过程中保证硅片表面温度在400?C ~ 700?C之间。

本发明中，所要掺杂金属、硅片以及离子束三者的空间位置安排恰当，使得离子束在轰击硅片过程中同时轰击所要掺杂的金属，从而使得硅片在受到离子束轰击的同时有金属不断被溅射出来沉积在硅片表面；掺杂金属的原子占表面原子的比例> 5%；

本发明中，所述的自组织生长，是指硅纳米锥阵列的制备无需掩膜，免去了掩膜制备的复杂工艺流程。

本发明制备的硅纳米锥阵列的表面在可见光至近红外波段（300 nm ~ 2000 nm）的反射率低于10%，即具有抗反射效果，

本发明制备的硅纳米锥的平均高度为~350 nm，平均间隔为~250 nm。硅纳米锥具有结晶化形态并且和衬底拥有外延式的相同晶向。

本发明所提出的制备方法是基于金属掺杂情况下离子束轰击诱导材料表面锥阵列形成的原理。其具体内容如下：

1、硅纳米锥阵列的制备在真空环境下进行。在离子束轰击之前，保证真空腔的气压小于1×10^-5 Pa，避免空气中的杂质对制备过程的影响。在离子束轰击过程中，用作电离的气体（Ar、Xe或Kr）被持续输入真空腔。如果真空系统带有差动泵浦功能（differential pumping），可保证真空腔气压小于1×10^-4 Pa；如果没有，则保证气压低于2×10^-2 Pa。原则上说，在离子束轰击过程中腔内气压仍然是越低越好，避免离子运动时受到气体原子的碰撞。

2、离子种类可选择惰性气体，例如Ar⁺、Xe⁺、Kr⁺等。本制备方法中，我们主要利用离子作为传递能量的载体，并不涉及离子和靶原子的化学反应；离子通过和靶原子的级联碰撞把自身携带的动能传递给靶原子，使其有用一定的能量或离开靶材料形成溅射，或在靶材料表面形成可移动原子（mobile atoms）。因此，离子种类的选择不单一。但由于不同离子和靶原子碰撞时的散射截面和能量传递效率不同，所以在使用不同种类的离子时离子束参数需要作相应调整。

3、离子束轰击过程中的金属共掺杂对于硅纳米锥阵列的形成起了重要作用。所谓离子束轰击过程中的金属共掺杂就是离子轰击硅表面时不断有金属原子以恒定速率沉积到硅表面。这些金属原子在表面运动并逐渐形成尺寸类似且间隔大致相同的团簇。由于有金属团簇覆盖的表面的离子刻蚀速率较没有金属团簇覆盖的表面慢，经过一段时间的轰击，硅表面就形成了以金属团簇为尖顶的纳米锥阵列。金属掺杂（金属种类为Fe、Mo、W、Au、Ag等）由放置在硅片附近的金属材料提供；由于离子束束斑较样品架大，轰击硅片的同时，金属材料也受到轰击。调整金属材料的放置位置，使得从金属上被溅射出来的原子有一部分沉积在硅片表面形成离子轰击时的金属共掺杂。

4、能量在500 eV ~ 10 keV之间、束流密度150 mA cm^-2 ~ 2000 mA cm^-2之间的离子束垂直轰击硅片以及硅片附近的金属材料20 min ~ 260 min（相当于轰击剂量1×10¹⁸ ion cm^-2 ~ 1×10²⁰ ion cm^-2）。

5、离子轰击过程中硅片表面温度对于纳米锥阵列的形成具有重要影响。由于纳米锥阵列的形貌是由金属团簇阵列所决定的。而金属团簇阵列的形成是金属原子在表面随机游走（random walking）的结果，所以表面温度对于金属团簇进而对于纳米锥阵列的尺寸和间隔有很大影响。对于制备尺寸在几百纳米量级的硅纳米锥阵列，其表面温度在离子轰击过程中通常应该保持在400?C ~ 700?C之间。硅纳米锥的尺寸和间隔随温度升高而变大。离子束轰击具有提高硅片表面温度的效果；温度高低由离子能量、束流密度以及样品架导热性能共同决定。在离子能量和束流密度不是太小的情况下，即离子能量大于1 keV、束流密度大于1000 mA cm^-2，硅片表面温度在轰击过程中自动达到400?C ~ 700?C之间，无需额外加热。

本发明方法利用金属杂质在硅表面的运动自组织形成金属团簇阵列充当掩膜，免去了掩膜制备复杂工艺流程。金属掺杂由金属共溅射沉积提供，样品表面温度由离子束轰击时自动达到，所以实验设备简单（仅为一套真空系统和一台低能离子源）。整个制备过程一步完成，便于操作控制及大规模生产。由此方法制备得到的硅纳米锥阵列平均高度为~350 nm，平均间隔为~250 nm，在可见光至近红外波段（300 nm ~ 2000 nm）的反射率低于10%，硅纳米锥具有结晶化形态并且和衬底拥有外延式的相同晶向。因此，在提高硅基太阳能电池的效率、作为半导体电极能够提高染料或量子点敏化电池的电荷收集效率以及在光电化学领域都有较大应用前景。

具体实施方式

1、硅片清洗

商购抛光硅片在H₂SO₄:H₂O₂=1:1的溶液中沸煮30分钟；用去离子水冲洗5分钟；在丙酮中超声清洗15分钟；在乙醇中超声清洗15分钟。

2、放置硅片

把按照上述步骤清洗完的硅片放在装配有离子源的真空腔内的样品架上，并用不锈钢夹片固定。不锈钢夹片的主要成分为Fe等，作为掺杂金属源。

3、建立真空环境

利用分子泵和机械泵级联式排空真空腔内的空气直至腔内气压达到~1×10^-6 Pa。

4、离子束轰击

向离子源供给99.999%的高纯Ar气，启动离子源，以能量1.5 keV、束流密度1000 mA cm^-2的Ar⁺离子束垂直轰击硅片以及固定硅片的不锈钢夹片45分钟。

经过轰击的硅片表面呈黑色即布有纳米锥阵列。

Claims

1.一种利用离子束轰击制备硅纳米锥阵列的方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）构建真空环境：在进行离子束溅射之前，使溅射系统真空腔的基础气压低于1×10^-5 Pa；离子溅射时由于电离气体持续输入真空腔，气压保持在2×10^-2 Pa以下；

(2)在真空腔内放置所要掺杂的金属，并使其在离子束轰击硅片过程中能够被离子束溅射并沉积在硅片表面，形成离子束轰击过程中的金属共掺杂；

(3)用离子束轰击硅片以及所要掺杂的金属，离子束能量500 eV ~ 10 keV；离子束流密度150 mA cm^-2 ~ 2000 mA cm^-2；轰击时间20 min ~ 260 min；轰击过程中保证硅片表面温度在400?C ~ 700?C之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子种类为Ar⁺、Xe⁺或Kr⁺。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述掺杂的金属种类为Fe、Mo、W、Au或Ag。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述掺杂金属的原子占表面原子的比重>~5%。