CN104724663A - 一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法。该方法是通过在HF乙醇溶液中电化学刻蚀的方法（而非光刻技术）在单晶硅表面上制备多孔硅仿生微纳结构的。所获得的多孔硅仿生微纳结构分布均匀、有序，微米结构尺寸在1-30um范围内可调。本发明成本较低，工艺简单、制备时间较短，对于硅基仿生微纳结构表面在生物芯片和微流体器件等方面都有应用前景。

Description

一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法，特别涉及一种通过一次电化学刻蚀在半导体硅材料表面同时构建纳米孔和微米突起两种结构的方法。

背景技术

“荷叶效应”是指由于表面微纳结构的存在和生物蜡的覆盖使得荷叶具有自清洁功能，而这种效应的实质就是超疏水表面（水接触角θ≥150^o）的超疏水功能。由于其在自清洁、防污、耐腐蚀等方面潜在的应用价值，自从1997年发现以来就备受关注。相关研究证明：除了表面组成之外，材料表面微纳结构的协同效应是其具有超疏水性能的关键因素。实际上，表面微纳结构的构建不但可以赋予疏水材料表面（90^o  < θ< 180^o）超疏水（θ≥150^o）的性能，同时也可以赋予亲水表面（0^o < θ< 90^o，）超亲水（θ≤5^o）的功能，因此微纳结构的构建对于材料表面特殊润湿性（超疏水和超亲水）的获取至关重要。作为一种半导体材料和通常情况下化学稳定材料，硅在通讯、能源、科技等领域有广泛应用，而硅基仿生微纳结构表面在微电子机械系统、微流体器件、生物传感器、生物芯片和科学研究中有广泛的应用前景。 

作为一种功能表面，仿生微纳结构表面的制备方法主要有两类：纳米材料制备方法和光刻技术。得益于纳米材料研究的蓬勃发展，存在纳米结构元素的仿生微纳结构功能表面的构建采用或者借鉴了许多纳米材料制备方法，比如：化学气相沉积法、模板法、溶胶凝胶法等等；同时，由于光刻技术在微电子机械系统大量应用，比如：紫外光刻技术、X光光刻技术、电子束光刻技术等等，使其也成为制备仿生微纳结构表面的一种可供选择途径。但是，这些纳米材料的制备方法和光刻技术都存在一个严重的缺点：不能在材料表面上一次同时制备纳米、微米两种结构。比如：氢氟酸(HF)HF溶液中电化学刻蚀法制备的纳米多孔硅薄膜只有纳米孔结构；利用Ag、Pt、Au等金属催化制备硅纳米线薄膜。光刻技术在半导体硅基微电子机械系统、微流体器件、生物传感器和生物芯片制备过程中也一次只能制备微米或者纳米一种结构，而且存在成本高、过程复杂、效率低的缺点。因此，找到一种合适的、一次获得两种结构的制备方法尤为迫切，对于仿生微纳结构硅基表面在上述各个领域的应用至关重要。

作为一种功能表面，仿生微纳结构表面的专利申请在逐渐增多，但是关于硅基仿生微纳结构表面的制备专利却很少，截止2012.12查到的只有以下四篇：1.何洋;姜澄宇;张峰;尹恒许;陈俊;王圣坤;胡培军;苑伟政;田梦君.一种超疏水硅微纳复合结构及其制备方法[P].中国专利:CN102167280A,2011-08-31；2.朱亦鸣;彭滟;温雅;阮邵崧;许丽兰;张大伟;陈麟;曹剑炜;倪争技;庄松林.一种微纳结构硅材料的制备系统与制备方法[P].中国专利:CN101819927A,2010-09-01；3.孙志军;林琦.一种在硅表面可控生长微纳孔结构的方法[P].中国专利:CN101759143A,2010-06-30；4.廖广兰;王中林;彭争春;史铁林;高阳.一种仿生微纳结构制备方法[P].中国专利:CN101823685A,2010-09-08。这四个专利中所述方法各具特色，但是与本专利所述方法相比它们使用的光刻技术（上述文献1、2、和4）或者贵金属催化剂（1和3）等条件成本较高、过程复杂，所获得的微纳结构也并不是类似荷叶表面的锥形突起结构，而是柱状或者孔状结构。

发明内容

本发明目的是在于提供一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法。

本发明采用HF溶液中电化学刻蚀的方法在N型单晶硅表面制备硅基仿生微纳结构表面，这种结构是由纳米孔和微米锥形突起结构构成的多孔硅微纳结构。

一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法，其特征在于该方法步骤为：

1）将硅片在丙酮中超声清洗后将其固定到一个方形的聚四氟乙烯(PTFE)电解槽的侧面孔中；

2）在聚四氟乙烯(PTFE)电解槽中加入氢氟酸乙醇溶液，以硅片为阳极石墨为阴极在紫外光背光照射条件下进行电化学刻蚀；

3）获得的多孔硅薄膜经过乙醇清洗、氮气吹干后获得多孔硅微纳结构。

本发明所述的硅片为N型（100）单晶硅。

本发明对比已有技术具有以下优点：

1、使用电化学刻蚀技术，而非光刻技术。 

2、所获得硅基仿生微纳结构表面为多孔硅仿生微纳结构表面，它是由纳米孔和微米锥形突起结构构成的。

3、微米锥形结构的尺寸和分布可以通过多孔硅薄膜中大孔和倒金字塔结构的尺寸和分布来控制，或者说通过电化学刻蚀电流和单晶硅晶相来控制。

4、相对复杂、耗时、成本较高的光刻技术，电化学方法简单、高效、成本较低。

5、所获得多孔硅微纳结构尺寸可调，分布有序，可以实现大面积制备。

附图说明

图1本发明所制备的硅基仿生微纳结构表面的电子扫描显微镜照片。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，通过以下实施例进行说明。

实施例1：

将N型（100）单晶硅片在丙酮中超声清洗，然后固定到一个正方体形PTFE刻蚀槽的一侧（槽上有孔，单面刻蚀），正极接硅片，负极接石墨片即可；在HF乙醇溶液中，紫外灯背光照射条件下进行电化学刻蚀，刻蚀60min以上；将电化学刻蚀后的硅片从PTFE刻蚀槽取下，在乙醇中清洗、氮气吹干即可。

图1所示电子扫描显微镜结果表明，硅基微纳结构表面中微米结构分布均匀、有序，微米结构尺寸在15-30μm之间；微米结构分布和倒金字塔界面结构的存在、或者说单晶硅晶相有密切联系。

Claims (2)

1.一种硅基仿生微纳结构表面的制备方法，其特征在于该方法步骤为：

1）将硅片在丙酮中超声清洗后将其固定到一个方形的聚四氟乙烯电解槽的侧面孔中；

2）在聚四氟乙烯电解槽中加入氢氟酸乙醇溶液，以硅片为阳极石墨为阴极在紫外光背光照射条件下进行电化学刻蚀；

3）获得的多孔硅薄膜经过乙醇清洗、氮气吹干后获得多孔硅微纳结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的硅片为N型100单晶硅。