CN102485945A - 多孔硅材料的制备方法及由该方法制得的多孔硅材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多孔硅材料的制备方法，其包括如下步骤：提供一基材；在该基材的表面形成一预制层，该预制层中含有硅和金属M，所述金属M为钙、铝及镁中的一种或以上，该金属M的质量百分含量为10～50％；采用电化学蚀刻法去除所述预制层表层的金属M，使预制层的表层部分形成一多孔硅层，该电化学蚀刻法中所使用的电解液为盐酸、硫酸、甲酸、乙酸和草酸中的一种。所述多孔硅材料的制备方法绿色环保。本发明还提供一种上述方法制得的多孔硅材料。

Description

多孔硅材料的制备方法及由该方法制得的多孔硅材料
技术领域
本发明涉及一种多孔硅材料的制备方法及由该方法制得的多孔硅材料。
背景技术
多孔硅材料是一种新型的纳米半导体光电材料，室温下具有优异的光致发光、电致发光等特性，在光电器件领域有重要的应用价值。
传统的多孔硅材料是通过将块体硅片在氢氟酸中经化学蚀刻获得。由于氢氟酸有毒，且腐蚀性很强，使用该种方法生产具有一定的危险性；且制备过程中会产生大量的废水，废水的处理较困难；且在蚀刻硅片的过程中产生的SiF4气体有剧毒，严重污染环境。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种绿色环保的多孔硅材料的制备方法。
另外，还有必要提供一种由上述方法所制得的多孔硅材料。
一种多孔硅材料的制备方法，其包括如下步骤：
提供一基材；
采用PVD镀膜技术在该基材的表面形成一预制层，该预制层中含有硅和金属M，所述金属M为钙、铝及镁中的一种或以上，该金属M的质量百分含量为10～50％；
采用电化学蚀刻法去除所述预制层表层的金属M，使预制层的表层部分形成一多孔硅层，该电化学蚀刻法中所使用的电解液为盐酸、硫酸、甲酸、乙酸和草酸中的一种。
一种多孔硅材料，其包括基材、形成于基材上的硅基金属层及形成于硅基金属层上的多孔硅层，该硅基金属层中含有金属M，所述金属M为钙、铝及镁中的一种或以上，该硅基金属层中金属M的质量百分含量为10～50％。
本发明所述多孔硅材料采用PVD镀膜技术在基材上先形成预制层，再通过电化学蚀刻法去除预制层的部分金属，使预制层的表层部分形成多孔硅层，所述方法未使用到有毒的氢氟酸，避免了传统方法中蚀刻过程中产生的有毒SiF4气体，制程更加绿色环保。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例多孔硅材料的剖视图。
主要元件符号说明
多孔硅材料        10
基材              11
硅基金属层        13
多孔硅层          15
具体实施方式
本发明一较佳实施方式的多孔硅材料10(如图1所示)的制备方法包括如下步骤：
提供一基材11，该基材11可为塑料或不锈钢。
对基材11进行预处理。所述预处理步骤包括：先使用氢氧化钠或氢氧化钾等碱性溶液对基材11进行除油除蜡，再使用去离子水对基材11进行清洗，清洗完毕后将基材烘干备用。
采用磁控溅射法或电弧离子镀膜法在经上述处理的基材11的表面沉积一预制层，该预制层中含有硅和金属M，所述金属M可为钙、铝及镁中的一种或以上，该金属M的质量百分含量为10～50％。沉积所述预制层在一镀膜机中进行，使用硅基金属靶材，该硅基金属靶材中的金属为钙、铝及镁中的一种或以上，且所述硅基金属靶材中金属的质量百分含量为10～50％；以氩气为工作气体，氩气的流量为150～500sccm，对基材11施加的偏压为0～-250V，所述基材11若为不锈钢，加热使所述镀膜室的温度为30～150℃；所述基材11若为塑料，加热使所述镀膜室的温度为30～70℃。使用磁控溅射法沉积所述预制层时，硅基金属靶材的功率可为5～11KW，镀膜时间可为60～300min。使用电弧离子镀膜法沉积所述预制层时，硅基金属靶材的功率可为1.5～5KW，镀膜时间可为20～80min。所述预制层的厚度可为1～6μm。
使用电化学蚀刻法去除所述预制层表层的金属M，使预制层的表层部分形成一多孔硅层15，该预制层未被去除金属M的部分形成为硅基金属层13。所述电化学蚀刻法以沉积有预制层的基材11为阳极，以盐酸、硫酸、甲酸、乙酸和草酸中的一种为电解液，所述电解液中盐酸、硫酸、甲酸、乙酸或草酸的质量百分含量可为3～15％；使用恒压电源，电压可为2～5V，电流密度可为0.5～4mA/cm2，反应时间可为3～20min。所述多孔硅层15的厚度为1～3μm。所述多孔硅层15中的孔的直径为50～150nm，孔隙率为60～80％。
请再一次参阅图1，由上述方法所制得的多孔硅材料10包括基材11、形成于基材11上的硅基金属层13及形成于硅基金属层13上的多孔硅层15。
该基材11可为塑料或不锈钢。
该硅基金属层13中含有金属M，所述金属M可为钙、铝及镁中的一种或以上，该硅基金属层13中金属M的质量百分含量为10～50％。该硅基金属层13的厚度可为0.5～1μm。
该多孔硅层15的厚度可为1～3μm。所述多孔硅层15中的孔的直径可为50～150nm，孔隙率可为60～80％。
本发明所述多孔硅材料10采用PVD镀膜技术在基材11上先形成预制层，再通过电化学蚀刻法去除预制层的部分金属，使预制层的表层部分形成多孔硅层15，所述方法未使用有毒的氢氟酸，避免了传统方法中蚀刻过程中产生的有毒SiF4气体，制程更加绿色环保。

Claims (12)

1.一种多孔硅材料的制备方法，其包括如下步骤：
提供一基材；
采用PVD镀膜技术在该基材的表面形成一预制层，该预制层中含有硅和金属M，所述金属M为钙、铝及镁中的一种或以上，该金属M的质量百分含量为10～50％；
采用电化学蚀刻法去除所述预制层表层的金属M，使预制层的表层部分形成一多孔硅层，该电化学蚀刻法中所使用的电解液为盐酸、硫酸、甲酸、乙酸和草酸中的一种。
2.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：所述基材为塑料或不锈钢。
3.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：形成所述预制层的步骤采用如下方式实现：采用磁控溅射法，使用硅基金属靶材，该硅基金属靶材中的金属为钙、铝及镁中的一种或以上，且所述硅基金属靶材中金属的质量百分含量为10～50％，该硅基金属靶材的功率为5～11KW，以氩气为工作气体，氩气的流量为150～500cm，对基材施加的偏压为0～-250V，加热使所述镀膜室的温度为30～150℃或30～70℃，镀膜时间为60～300min。
4.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：形成所述预制层的步骤采用如下方式实现：采用电弧离子镀膜法，使用硅基金属靶材，该硅基金属靶材中的金属为钙、铝及镁中的一种或以上，且所述硅基金属靶材中金属的质量百分含量为10～50％，该硅基金属靶材的功率为1.5～5KW，以氩气为工作气体，氩气的流量为150～500cm，对基材施加的偏压为0～-250V，加热使所述镀膜室的温度为30～150℃或30～70℃，镀膜时间为20～80min。
5.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：所述预制层的厚度为1～6μm。
6.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：所述电化学蚀刻法采用如下方式实现：以镀有预制层的基材为阳极，以盐酸、硫酸、甲酸、乙酸和草酸中的一种为电解液，所述电解液中盐酸、硫酸、甲酸、乙酸或草酸的质量百分含量为3～15％；使用恒压电源，电压为2～5V，电流密度为0.5～4mA/cm2，反应时间为3～20min。
7.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：所述多孔硅层的厚度为1～3μm。
8.如权利要求1所述的多孔硅材料的制备方法，其特征在于：所述多孔硅层中的孔的直径为50～150nm，孔隙率为60～80％。
9.一种多孔硅材料，其包括基材、形成于基材上的硅基金属层及形成于硅基金属层上的多孔硅层，其特征在于：该硅基金属层中含有金属M，所述金属M为钙、铝及镁中的一种或以上，该硅基金属层中金属M的质量百分含量为10～50％。
10.如权利要求9所述的多孔硅材料，其特征在于：所述多孔硅层中的孔的直径为50～150nm，孔隙率为60～80％。
11.如权利要求9所述的多孔硅材料，其特征在于：所述多孔硅层的厚度为1～3μm。
12.如权利要求9所述的多孔硅材料，其特征在于：所述硅基金属层的厚度为0.5～1μm。
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