CN104818532A - 一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其按如下步骤：(1)、将洁净的硅片放入氢氟酸与硝酸银的混合溶液中，使硅片表面沉积一层银薄膜；(2)、将步骤(1)的硅片镀膜后立刻放入腐蚀液内，腐蚀液盛于容器中，容器两侧固定一对惰性电极，惰性电极浸入腐蚀液中；(3)、步骤(2)完成后，立刻打开惰性电极电源，腐蚀一段时间得到硅纳米结构材料。本发明方法只需要改变电场大小这一单一变量即可实现控制催化剂颗粒腐蚀路径。该方法简单易行，利于规模化生产，而且提高了硅纳米结构材料在太阳能电池、锂离子电池、热电器件以及精密传感器等方面的应用性能。

Description

一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法

技术领域

本发明属于硅纳米结构材料制备技术领域，具体涉及一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法。

背景技术

硅纳米结构材料在传感器、太阳能电池、MEMS等领域具有十分重要的作用。目前国内外关于硅纳米结构材料的制备方法很多，主要有化学气相沉积法和氧化物辅助生长法，但是这些方法所需条件复杂，对设备要求较高。

金属辅助化学腐蚀法也是目前硅纳米结构材料的制备方法之一，其凭借操作简单、不需要复杂的设备与严苛的条件等优势，在国内及国际上被广泛接受并运用。但是，采用腐蚀制备硅纳米线结构过程中，腐蚀液总是优先于破坏硅原子间比较弱的健，因此，其不能制备出较佳的硅纳米线结构，降低了其在半导体器件的应用性能。而能够在任意晶向的单晶硅表面制备出相应晶向的纳米线结构(如硅(111)上制备出方向<111>的纳米线)，对于提高硅纳米结构材料的应用性能而言是至关重要的。目前国际上大多采用改变氧化剂比例和催化剂形状或表面形貌等方法控制腐蚀制备方向，然而，这些方法存在操作复杂、控制不易等缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，该方法在腐蚀制备硅纳米线结构过程中添加一外电场，只需要控制外电场的电场大小就可引导腐蚀制备硅纳米线的方向。该方法变量单一、操作简单、易于实现工业化生产。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其按如下步骤：

(1)、将洁净的硅片放入氢氟酸与硝酸银的混合溶液中，使硅片表面沉积一层银薄膜。

(2)、将步骤(1)的硅片镀膜后立刻放入腐蚀液内，腐蚀液盛于容器中，容器可以是塑料容器、有机玻璃容器等，容器两侧固定一对惰性电极(如石墨电极)，惰性电极浸入腐蚀液中。腐蚀液由氢氟酸和双氧水配制而成。

(3)、步骤(2)完成后，立刻打开惰性电极电源，腐蚀一段时间得到硅纳米结构材料。

优选的，步骤(1)，采用0.1mol/L硝酸银和5mol/L氢氟酸镀银的混合溶液对硅片镀膜一分钟。

优选的，步骤(2)，氢氟酸的质量浓度为40％，双氧水的质量浓度30％，氢氟酸与双氧水的体积比为12:1。

优选的，石墨电极电源为普通直流电源。

优选的，步骤(3)，制备过程在15℃-25℃下进行，电极电压为1-8mV，腐蚀制备30分钟到90分钟后可得到硅纳米结构材料。

采用本发明技术方案，在反应过程中，单晶硅两侧施加一均匀外电场，该电场的强度不会改变金属辅助化学腐蚀制备硅纳米结构的工艺和原理，而是通过外电场作用于腐蚀制备过程中带电离子的分布，从而间接影响金属催化剂颗粒的腐蚀方向，引导改变金属催化剂颗粒腐蚀的路径，从而在不同晶向的单晶硅上制备出相应的纳米线结构。本发明方法只需要改变电场大小这一单一变量即可实现控制催化剂颗粒腐蚀路径。该方法简单易行，利于规模化生产，而且提高了硅纳米结构材料在太阳能电池、锂离子电池、热电器件以及精密传感器等方面的应用性能。

附图说明

图1为本发明制得的单晶硅纳米线结构图。

具体实施方式

下面结合优选实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

以下各实施例中，电极为石墨电极。本发明中的材料未作特殊说明的均为常规材料，可从商业途径获得，所用试剂也为常规工业试剂。

实施例1

将洁净的单晶硅(100)放入硝酸银和氢氟酸的混合液中使硅片表面沉积一层银薄膜，而后迅速放入腐蚀液中，腐蚀液盛于容器中，容器两侧固定一对石墨电极，石墨电极浸入腐蚀液中。腐蚀液组分比例为氢氟酸：双氧水的体积比12:1，氢氟酸质量浓度为40％，双氧水质量浓度30％。接通石墨电极电源，电压保持为1.4mV，在15℃-25℃下腐蚀90min后取出清洗烘干，制得硅纳米线结构。

实施例2

将洁净的单晶硅(110)放入硝酸银和氢氟酸的混合液中使硅片表面沉积一层银薄膜，而后迅速放入腐蚀液中，腐蚀液盛于容器中，容器两侧固定一对石墨电极，石墨电极浸入腐蚀液中。腐蚀液组分比例为氢氟酸：双氧水的体积比12:1，氢氟酸质量浓度为40％，双氧水质量浓度30％。接通石墨电极电源，电压保持为5mV，在15℃-25℃下腐蚀90min后取出清洗烘干，制得硅纳米线结构。

实施例3

将洁净的单晶硅(111)放入硝酸银和氢氟酸的混合液中使硅片表面沉积一层银薄膜，而后迅速放入腐蚀液中，腐蚀液盛于容器中，容器两侧固定一对石墨电极，石墨电极浸入腐蚀液中。腐蚀液组分比例为氢氟酸：双氧水的体积比12:1，氢氟酸质量浓度为40％，双氧水质量浓度30％。接通石墨电极电源，电压保持为8mV，在15℃-25℃下腐蚀90min后取出清洗烘干，制得硅纳米线结构。

本发明属于硅纳米结构材料制备技术领域，具体涉及一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法。本发明在金属辅助化学腐蚀制备硅纳米结构材料的过程中，施加一外电场，通过控制外电场的大小，可引导改变金属辅助化学腐蚀的制备方向，从而可以得到方向特定的硅纳米线结构。该方法操作简单，易于大规模生产，在传感器、太阳能电池、MEMS等领域具有广泛的应用前景和推广价值。

Claims (6)

1.一种基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其特征是按如下步骤：

(1)、将洁净的硅片放入氢氟酸与硝酸银的混合溶液中，使硅片表面沉积一层银薄膜；

(2)、将步骤(1)的硅片镀膜后立刻放入腐蚀液内，腐蚀液盛于容器中，容器两侧固定一对惰性电极，惰性电极浸入腐蚀液中；

(3)、步骤(2)完成后，立刻打开惰性电极电源，腐蚀一段时间得到硅纳米结构材料。

2.如权利要求1所述的基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其特征是：所述的惰性电极选用石墨电极。

3.如权利要求1所述的基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其特征是：步骤(2)，腐蚀液由第二氢氟酸和双氧水配制而成。

4.如权利要求3所述的基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其特征是：第二氢氟酸的质量浓度为40％，双氧水的质量浓度30％。

5.如权利要求3或4所述的基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其特征是：第二氢氟酸与双氧水的体积比为12:1。

6.如权利要求1所述的基于外加电场制备硅纳米结构材料的方法，其特征是：步骤(3)，在15℃-25℃下，电极电压为1-8mV，腐蚀30-90分得到硅纳米结构材料。