CN102556953A

CN102556953A - 一种双面硅纳米线阵列的制备方法

Info

Publication number: CN102556953A
Application number: CN2012100344876A
Authority: CN
Inventors: 丁建宁; 张福庆; 郭立强; 程广贵; 凌智勇; 张忠强; 杨娟; 孙东健
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及硅纳米线，特指一种双面硅纳米线阵列的制备方法。在较低温度条件下，利用溶液的腐蚀性和金属离子催化性相结合，在硅表面进行刻蚀得到硅纳米线阵列；包括硅表面清洗的步骤、氢钝化硅片表面的步骤、用化学镀法在硅片两个表面覆盖一层均匀的银纳米颗粒网络的步骤、双面硅纳米线阵列制备的步骤和多余银纳米颗粒去除的步骤。本发明的优点是其制备过程不需要昂贵设备和高温环境条件，具有操作简单、易控制等明显的优点，且成本低、效率高可应用于大型工业化生产。

Description

一种双面硅纳米线阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及硅纳米线，特指一种双面硅纳米线阵列的制备方法。

背景技术

硅纳米线具有许多显著不同于其他低维半导体材料的电学、光学、磁学以及力学等新颖物理性质, 这使其在场效应器件、单电子存储器件、光探测器件、纳米传感器和高效率发光器件中具有潜在的应用，尤其在提高太阳能电池光吸收、光谱响应、有效分离电子-空穴和减反射等方面拥有潜在的优势，因此一维硅纳米线的研究受到了极大的关注；目前硅纳米线阵列的制备方法包括Bottom- Up法和Top-Down法，其中Bottom-Up法主要是以Fe、Au、Ni、Ti、SiO_x 等作为催化剂或直接采用多孔模板，在化学气相沉积（CVD）系统中制备硅纳米线阵列的方法；而Top-Down法主要是用干法刻蚀体硅表面以获得硅纳米线阵列的方法。Bottom-Up法和干法刻蚀体硅表面法通常需在高温的条件下利用较为精密且价格昂贵的设备进行制备的，这些因素造成硅纳米线阵列制备成本的大幅度提高，同时制备效率也不是太高，因此难以实现广泛工业应用；本文提出了一种湿法刻蚀硅表面制备硅纳米线阵列的方法，其原理示意图如图1所示，该方法是在较低温度下利用溶液的腐蚀性进行制备的，具有操作简单、无设备需求、易控制的优点。

发明内容：

本发明的目的是提供一种大面积制备双面硅纳米线阵列的方法，在较低温度条件下，利用溶液的腐蚀性和金属离子催化性相结合，在硅表面进行刻蚀得到硅纳米线阵列。

本发明解决其关键问题所采用的技术方案是根据金属离子催化辅助纯化学腐蚀，在双面抛光的硅基表面制备硅纳米线阵列，其制备工艺流程见图2所示；据此，其核心技术如下：

1、硅表面清洗：将硅片依次经过丙酮超声振荡清洗，酒精超声振荡清洗，

然后放入一号溶液中煮沸30 min，用去离子水冲洗玻璃表面，用高纯氮气吹干。

2、氢钝化硅片表面：将硅片放入二号溶液中，室温下处理3 min。

3、用化学镀法在硅片两个表面覆盖一层均匀的银纳米颗粒网络：将硅片在

室温下放入三号溶液中，并缓慢搅动30~90 s，然后用去离子水清洗，去除多余的银离子。

4、双面硅纳米线阵列制备：在室温暗室环境下，放入到四号腐蚀液中刻蚀30-60min，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定，处理好后将硅片用去离子水反复冲洗硅片的两个表面。

5、多余银纳米颗粒去除：将上述处理好的硅片放入五号溶液中处理30分钟，之后取出硅片，并用去离子水反复清洗硅片表面，然后高纯氮气吹干。

上述制备方案中，步骤1中所用硅片为经过双面抛光处理的硅片，一号溶液为浓H₂SO₄:H₂O₂=3:1（V:V），为达到双面清洗硅表面的目的，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定，如图3。

上述制备方案中，步骤2中所用二号溶液为HF酸溶液，其浓度为5wt%，以去除步骤1中形成氧化层，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定，如图3所示。

上述制备方案中，步骤3中所用三号溶液为HF酸和AgNO₃混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为2.4~4.8 mol，每升混合溶液中含有AgNO₃为0.005 ~ 0.05 mol，处理过程中硅片在混合溶液中被垫起并固定，如图3所示。

上述制备方案中，步骤4中所用四号溶液为HF酸和H₂O₂混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为2.4-4.8 mol，每升混合溶液中含H₂O₂溶液为0.15-0.4 mol，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定，如图3所示。

上述制备方案中，步骤5中所用五号溶液为浓HNO₃和H₂O的体积比为1:1，所用浓HNO₃的浓度为65~68wt%，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定，如图3。

本发明的优点是其制备过程不需要昂贵设备和高温环境条件，具有操作简单、易控制等明显的优点，且成本低、效率高可应用于大型工业化生产。

附图说明

图1是本发明的双面硅纳米线阵列制备原理示意图；

图2是本发明的双面硅纳米线阵列制备工艺流程示意图；

图3是本发明的硅片垫起并固定结构示意图；

1、双面抛光硅片；2、固定支撑物。

具体实施方式

实施例1

1.硅片的清洗：

分别用丙酮、酒精超声振荡清洗，室温10 min；

放入浓H₂SO₄:H₂O₂=3:1（V:V）的溶液中煮沸30 min；

用去离子水冲洗玻璃表面；

用高纯氮气吹干。

2.在室温下将清洗处理好的硅片放入到5%的HF酸溶液中腐蚀3 min。

3.将硅片在室温下迅速放入HF酸和AgNO₃的混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为3mol，每升混合溶液中含有AgNO₃为0.01 mol，并缓慢搅动40 s，然后将硅片表面用去离子水反复清洗。

4.将硅片垫起并固定，在室温暗室环境下，放入到HF酸和H₂O₂组成的混合溶液中处理40min，其中每升混合溶液中含有HF酸为2.8 mol，每升混合溶液中含H₂O₂溶液为0.3mol，然后用去离子水反复冲洗硅片两个表面。

5.将硅片放入浓HNO₃和H₂O的体积比为1:1的混合溶液中处理30min；取出硅片，并用去离子水反复清洗硅片的两个表面，然后用高纯氮气吹干。

实施例2

1、步骤1同实施例1。

2、步骤2同实施例2。

3、步骤3中HF酸和AgNO₃的混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为4.8mol，每升混合溶液中含有AgNO₃为0.05 mol，并缓慢搅动30 s。

4、步骤4中放入到HF酸和H₂O₂组成的混合溶液中处理30min，其中每升混合溶液中含有HF酸为4.8 mol，每升混合溶液中含H₂O₂溶液为0.15mol。

5、步骤5同实施例1步骤5。

实施例3

1、步骤1同实施例1。

2、步骤2同实施例2。

3、步骤3中HF酸和AgNO₃的混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为3.6mol，每升混合溶液中含有AgNO₃为0.03 mol，并缓慢搅动90 s。

4、步骤4中放入到HF酸和H₂O₂组成的混合溶液中处理60min，其中每升混合溶液中含有HF酸为3.2 mol，每升混合溶液中含H₂O₂溶液为0.4mol。

5、步骤5同实施例1步骤5。

本发明制备的硅纳米线的长度达到2~3微米，其直径为50~100纳米；硅片表面硅纳米线的密度达到10⁴~10⁵根每平方厘米。

Claims

1.一种双面硅纳米线阵列的制备方法，包括硅表面清洗的步骤、氢钝化硅片表面的步骤、用化学镀法在硅片两个表面覆盖一层均匀的银纳米颗粒网络的步骤、双面硅纳米线阵列制备的步骤和多余银纳米颗粒去除的步骤，其特征在于：所述用化学镀法在硅片两个表面覆盖一层均匀的银纳米颗粒网络的步骤为：将钝化后的硅片在室温下放入三号溶液中，并缓慢搅动30~90 s，然后用去离子水清洗，去除多余的银离子；所述三号溶液为HF酸和AgNO₃混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为2.4~4.8 mol，每升混合溶液中含有AgNO₃为0.005 ~ 0.05 mol，处理过程中硅片在混合溶液中被垫起并固定；所述双面硅纳米线阵列制备的步骤为：在室温暗室环境下，放入到四号腐蚀液中刻蚀30-60min，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定，处理好后将硅片用去离子水反复冲洗硅片的两个表面；所述号溶液为HF酸和H₂O₂混合溶液，其中每升混合溶液中含有HF酸为2.4-4.8 mol，每升混合溶液中含H₂O₂溶液为0.15-0.4 mol。

2.如权利要求1所述的一种双面硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述硅表面清洗的步骤为：将硅片依次经过丙酮超声振荡清洗，酒精超声振荡清洗，然后放入一号溶液中煮沸30 min，用去离子水冲洗玻璃表面，用高纯氮气吹干；所述硅片为经过双面抛光处理的硅片，所述一号溶液由浓H₂SO₄和H₂O₂混合而成，浓H₂SO₄:H₂O₂的体积比=3:1，为达到双面清洗硅表面的目的，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定。

3.如权利要求1所述的一种双面硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述氢钝化硅片表面的步骤为：将表面清洗后的硅片放入二号溶液中，室温下处理3 min；所述二号溶液为HF酸溶液，其浓度为5wt%，以去除步骤1中形成的氧化层，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定。

4.如权利要求1所述的一种双面硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述多余银纳米颗粒去除的步骤为：将经双面硅纳米线阵列制备步骤后的硅片放入五号溶液中处理30分钟，之后取出硅片，并用去离子水反复清洗硅片表面，然后高纯氮气吹干；所述五号溶液中浓HNO₃和H₂O的体积比为1:1，所用浓HNO₃的浓度为65~68wt%，处理过程中硅片在溶液中被垫起并固定。