CN105347345A - 一种硅微纳米结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅微纳米结构的制备方法，属于新材料与纳米材料技术领域。本发明利用碳与硅在氢氟酸溶液中构成腐蚀原电池，发明了一种新颖的硅微纳米结构制备方法。所述方法将表面沉积有石墨粉等碳材料的硅样品浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液或蒸汽中进行腐蚀处理，可以实现多种形貌硅微纳米结构的制备。本制备方法简单，不涉及复杂设备，也不需要金或银等贵金属催化剂就能制备出硅微纳米结构，宜于规模化工业生产。本发明制备的硅微纳米结构在光伏电池、光催化、锂离子电池、传感等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种硅微纳米结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅微纳米结构的制备方法，属于新材料技术与纳米材料领域。
背景技术
硅微纳米结构材料具有硅材料优异的半导体物理及化学性能，又具有纳米材料独特的光、电、热等性能，在微纳米光电子、能量转换与存储、传感等领域具有广泛的应用前景。自下而上生长和自上而下加工是构筑硅纳米结构的两种途径。最早的构筑硅纳米结构方法可追溯到1964年R.S.Wagner提出的Vapor-Liquid-Solid(VLS)生长机制，在VLS机制基础上，研究人员相继发展了化学气相沉积和激光烧蚀等方法。电子束和反应离子束刻蚀是常见的自上而下硅纳米结构制备方法。然而这些方法由于生长机制的限制，需要较高的温度和复杂的设备，造成高昂的生产成本。如专利200610117576.1中在卧式石英管式炉中制备硅纳米线，要求反应在温度1050-1250℃下，保持腔内压强4500Pa[参见：中国专利200610117576.1，公开号1944250，公开日期2007.04.11]。近年来提出的一种金属催化刻蚀技术可以在硅衬底表面刻蚀制备出大面积单一轴向排布的单晶硅纳米线阵列[参见：中国专利CN1382626；中国专利ZL200810183135.0；中国专利申请号2005100117533]。上述方法采用化学镀或物理沉积技术，在硅表面沉积一层银或金纳米颗粒薄膜，然后将处理过的硅衬底浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液中，在室温附近处理20分钟左右即可以制备出高长径比的硅纳米线阵列。这种技术不需要高温和复杂设备，但需要金、银等贵金属作为促进硅腐蚀的催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新颖的硅微纳米结构的制备方法。本方法利用碳与硅在氢氟酸溶液中构成腐蚀原电池，将表面沉积有石墨粉或碳纳米颗粒等碳材料的硅样品浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液或蒸汽中进行腐蚀处理，可以实现多种形貌硅微纳米结构的制备。本制备方法简单，不需要复杂设备和贵金属催化剂就能制备出多种形貌硅微纳米结构，适宜于规模化工业生产。本发明所制备的硅微纳米结构在光伏电池、光催化、锂离子电池和传感等领域具有广泛的应用前景。
本发明提出的一种硅微纳米结构的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：
1、一种硅微纳米结构的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：
(1)通过旋涂技术将石墨粉或碳纳米颗粒或碳纳米纤维分布在硅衬底表面；
(2)利用真空沉积技术在硅衬底表面沉积均匀分布的碳膜，然后在真空保护气氛下退火；
(3)利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管；
(4)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底浸入氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中，在20-50摄氏度处理2-180分钟即可得到硅微纳米结构；
(5)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底浸入氢氟酸和硝酸或用硝酸盐替换硝酸的混合水溶液中，在20-50摄氏度处理2-180分钟即可得到硅微纳米结构；
(6)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底放置在石墨板或金板、银板、铂板上并使二者密切接触，随后一起浸入含有溶解氧的氢氟酸溶液中，在20-50摄氏度条件下腐蚀5-360分钟即可得到硅微纳米结构；
(7)将步骤((1)或(2)或(3)得到的硅衬底放置在聚四氟乙烯板或石墨板、金板、银板、铂板上，随后一起放入含有氧气的氢氟酸蒸汽中，在20-50摄氏度条件下腐蚀5-360分钟即可得到硅微纳米结构。
在上述一种硅微纳米结构的制备方法中，所述步骤(4)和(5)中的氢氟酸浓度范围为0.5-20mol/L，过氧化氢浓度范围为0.02-3mol/L，硝酸浓度范围为0.05-5mol/L，硝酸盐浓度范围为0.05-5mol/L。在本发明中所选择的硅衬底是硅片或硅粉。本技术方法简单，可以成功制备各种形貌的硅微纳米结构，如多孔硅等。
附图说明
图1为本发明制备的硅微纳米结构的扫描电子显微镜形貌像。
具体实施方式
本方法将表面沉积有微纳米碳材料的硅样品浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液或蒸汽中进行腐蚀处理，可以实现多种形貌硅微纳米结构的制备。这种方法制备的硅微纳米结构在光伏电池、锂离子电池等领域具有广泛的应用前景。
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
通过旋涂技术，将石墨粉均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例2
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例3
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有硝酸铁和氢氟酸混合水溶液的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例4
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有硝酸和氢氟酸混合溶液的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例5
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在石墨板上面，使二者密切接触，并且一起浸泡在含有溶解氧的氢氟酸溶液中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例6
通过旋涂技术，将石墨粉均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例7
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在石墨板上面，使二者密切接触，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例8
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在聚四氟乙烯板上面，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例9
通过旋涂技术，将石墨粉均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在聚四氟乙烯板上面，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例10
通过旋涂技术，将石墨粉均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在石墨板板上面，使二者密切接触，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例11
通过旋涂技术，将碳纳米颗粒均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，25摄氏度处理120分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例12
通过旋涂技术，将碳纳米纤维均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，25摄氏度处理120分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例13
通过旋涂技术，将碳纳米管均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，25摄氏度处理120分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例14
通过旋涂技术，将碳纳米纤维均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氢氟酸和硝酸溶液的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例15
通过旋涂技术，将碳纳米纤维均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在石墨板上面，使二者密切接触，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例16
通过旋涂技术，将碳纳米管均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在石墨板板上面，使二者密切接触，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例17
通过旋涂技术，将碳纳米管均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片直接放置在聚四氟乙烯板上面，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例18
通过旋涂技术，将碳纳米纤维均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例19
利用真空沉积技术在清洁硅片表面沉积碳膜，然后在氮气保护气氛下700摄氏度热退火，随后立即将硅片浸入含有HF+H2O2+H2O腐蚀溶液的密闭容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例20
利用真空沉积技术在清洁硅片表面沉积碳膜，然后在氮气保护气氛下700摄氏度热退火，随后立即将将硅片直接放置在聚四氟乙烯板上面，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例21
利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管，随后立即将硅片浸入含有HF+H2O2+H2O腐蚀溶液的密闭容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。
实施例22
利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管，随后立即将将硅片直接放置在聚四氟乙烯板上面，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例23
利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管，随后立即将将硅片直接放置在石墨板上面，使二者密切接触，浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，在25摄氏度反应3小时，便得到硅微纳米结构。
实施例24
利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管，随后立即将硅片浸入含有氧气的氢氟酸蒸汽容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。

Claims (6)

1.一种硅微纳米结构的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：
(i).在硅衬底表面沉积碳材料：
(1)通过旋涂技术将石墨粉或碳纳米颗粒或碳纳米纤维分布在硅衬底表面；
(2)利用真空沉积技术在硅衬底表面沉积均匀分布的碳膜，然后在真空保护气氛下退火；
(3)利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管；
(ii).形成硅微纳米结构：
(4)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底浸入氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中，在20-50摄氏度处理2-180分钟即可得到硅微纳米结构；
(5)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底浸入氢氟酸和硝酸或用硝酸盐替换硝酸的混合水溶液中，在20-50摄氏度处理2-180分钟即可得到硅微纳米结构；
(6)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底放置在石墨板或金板、银板、铂板上并使二者密切接触，随后一起浸入含有溶解氧的氢氟酸溶液中，在20-50摄氏度条件下腐蚀5-360分钟即可得到硅微纳米结构；
(7)将步骤((1)或(2)或(3)得到的硅衬底放置在聚四氟乙烯板或石墨板、金板、银板、铂板上，随后一起放入含有氧气的氢氟酸蒸汽中，在20-50摄氏度条件下腐蚀5-360分钟即可得到硅微纳米结构。
2.根据权利要求1所述的一种硅微纳米结构的制备方法，所述步骤(4)和(5)中的氢氟酸浓度范围为0.5-20mol/L，过氧化氢浓度范围为0.02-3mol/L，硝酸盐浓度范围为0.05-0.50mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种硅微纳米结构的制备方法，所述步骤(i)中的硅衬底材料是硅片或硅粉。
4.根据权利要求1所述的一种硅微纳米结构的制备方法，所述步骤(ii)得到的硅微纳米结构是一种锂离子电池负极材料，同时也是一种气敏材料。
5.根据权利要求1所述的一种硅微纳米结构的制备方法，所述步骤(ii)得到的硅微纳米结构是一种光伏电池材料，同时也是一种热电材料。
6.根据权利要求1所述的一种硅微纳米结构的制备方法，所述步骤(ii)得到的硅微纳米结构是一种光催化材料。
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