CN106498502A - 一种利用金属辅助刻蚀具有木材反向结构硅表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用金属辅助刻蚀具有木材反向结构硅表面的方法。所述方法以木材为原料，先通过在非氧化气氛中烧结，得到具有木材结构的多孔碳，然后在多孔碳表面进行电镀处理，得到表面具有木材结构的多孔铜，之后用氢氟酸、双氧水、水的混合液作腐蚀剂浸没单晶硅，并将多孔铜压在硅平面上，铜起催化作用使腐蚀反应发生，形成与木材结构反向的硅表面，最后经氟硅烷和异丙醇混合液浸泡，得到具有疏水特性的硅表面。本发明高程度的借鉴自然，利用金属辅助拓扑了木材的微观构造，制得的木材反向结构硅表面具有优良的疏水性和光减反性。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种利用金属辅助刻蚀具有木材反向结构硅表面的方法。
背景技术
植物材料具有天然的三维连续网络结构，呈多层次、多组分的有序性组织形貌，其结构及功能有着人工材料无可比拟的优越性能，但该结构难以通过人工手段获得。目前，研究人员利用天然植物结构，制备具有鲜明植物结构特点、独特显微组织、组织结构可控的新型材料，并赋予材料优异的性能。张荻等以蝶翅鳞片为生物模板制备了保留蝶翅结构的TiO2材料，该材料可提高光的吸收率(Zhang Wang,et al.Novel photoanode structuretemplated from butterfly wing scales[J].Chemistry ofMaterials,2008,21(1):33-40.)。Wang等选取柳桉为模板，注入铝合金得到Al/C复合材料，此复合材料具有比铝低的热膨胀系数，比多孔碳具有更高的热导率(Wang T C,et al.Thermal conductivity andthermal expansions of aluminum/carbon composites based on wood templates[J].Materials Letters,2007,61(8):1849-1854.)。因此，具有植物的天然结构的材料有望在分子筛、过滤器、催化剂载体、绝热材料、气敏材料、电磁屏蔽材料、远红外辐射材料等方面得到广泛应用。
单晶硅材料是一种常用的半导体材料，在微电子、光电子、传感器以及微型电子机械领域发挥着越来越重要的作用。但单晶硅表面光滑平整，易亲水和光反射，因此，对硅表面进行改性处理有利于拓宽其应用范围。目前，对单晶硅表面改性多为人工化学的方法，即在单晶硅表面增加涂层等化学薄膜，或刻蚀预设几何状结构，(汪鹏飞等，通过电解法制备出预设面积的纳米硅线阵列；王富国等，通过电化学刻蚀法在单晶硅表面制备多孔硅仿生微纳结构表面)。然而，上述方法具有很大的局限性，难以达到自然界中生物体表面经过进化得到的特殊精细结构。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的提供了一种利用金属辅助刻蚀具有木材反向结构硅表面的方法，该方法高程度借鉴自然，利用金属辅助拓扑了木材的微观构造，制得的木材反向结构硅表面具有优良的疏水性和光减反性。
本发明的技术解决方案为：
一种利用金属辅助刻蚀具有木材反向结构硅表面的方法，具体步骤如下：
步骤1，将木材置于非氧化性气氛中烧结，烧结温度不低于600℃，升温速率不高于3℃/min，制得具有天然木材结构的多孔碳；
步骤2，以0.03～0.06mol/L的硫酸铜溶液为电镀液，采用0.01～0.08A/cm2的电流密度，在多孔碳表面镀铜，电镀10～18min后，取出干燥，得到具有天然木材结构的多孔碳/铜；
步骤3，将多孔碳/铜覆盖在单晶硅平面上，充分接触后，浸没在氢氟酸、双氧水、水的体积比为6：2：1～4的混合腐蚀剂中，在铜的催化下，腐蚀20～40min，得到天然木材反向结构的单晶硅表面；
步骤4，将腐蚀后的单晶硅表面浸入氟硅烷与异丙醇的体积比为1:4～8的混合液中，浸泡结束后取出干燥，制得疏水的具有木材反向结构的硅表面。
优选地，步骤1中，所述的木材选自白松木、柳桉等微观结构明显且孔径大小较均匀的木材，所述的烧结温度为600～800℃，所述的升温速率为1～2℃/min。
优选地，步骤2中，所述的电镀时间为15min。
优选地，步骤3中，所述的氢氟酸、双氧水、水的体积比为6:2:4，腐蚀时间为30min。
优选地，步骤4中，所述的氟硅烷和异丙醇的体积比为1:6，浸泡时间为2～15天。
本发明利用天然木材为模板，将其在非氧化性气氛中烧结形成具有木材微观构造的多孔碳，再在多孔碳表面电镀铜，铜在多孔碳表面沿其孔径形成铜原子覆盖层，从而形成具有木材结构的多孔铜表面，多孔铜表面覆盖在已浸入HF，H2O2和去离子水的腐蚀剂中的单晶硅表面，其中表面的铜充当催化剂，使氢氟酸与酸离子反应生成H2SiF6。由于铜沿着木材孔径结构附着，与铜紧密接触的硅才会发生腐蚀反应并产生凹陷，而处于孔径中的硅则不会发生反应，这样便会形成与木材多孔结构凸凹相反的凸起硅表面。具有天然木材多孔结构凸凹相反的凸起硅表面结构，具备一定的疏水性和光减反性。具有木材反向结构的硅表面在氟硅烷溶液中浸泡后，当水珠落在上面时相邻凸起间隙中的空气会被锁定成极薄的空气层，水只与凸起形成点接触，减少了接触面积，提高了硅基表面的疏水性。此外，当光线直射在具有特殊形貌的硅基表面时，凸起表面为粗糙半球形凸起，可增加光进入表面后的散射，使反射光减少，具有光减反性。
本发明方法简单，制得的具有木材反向凸起结构的单晶硅表面，同时具备疏水性和光减反性，疏水性可有效地避免器件因雨雪等天气造成的腐蚀和短路等；而光减反性可减弱太阳能电池表面光的反射所造成的损失，提高太阳光的通过率从而提高光电转化效率等，可用于单晶硅的进一步开发应用。
附图说明
图1是实施例1中制得的具有白松木结构的多孔碳经电镀铜后的微观结构图。
图2是实施例1中具有白松木结构的多孔铜的XRD图谱。
图3是实施例1中利用白松木结构的多孔铜作催化剂腐蚀制得的硅表面微观构造图。
图4是实施例1中利用白松木结构的多孔铜作催化剂腐蚀制得的硅表面的接触角图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
步骤1，将白松木置于木材碳化炉中以1℃/分钟的升温速率加热至800℃，制得具有白松木结构的多孔碳；
步骤2，在多孔碳表面镀铜，镀液为0.05mol/L硫酸铜溶液，电流0.01A/cm2，电镀15分钟，电镀后将多孔碳取出干燥；
步骤3，配制氢氟酸、双氧水、水的混合液腐蚀剂，氢氟酸、双氧水、水的体积比为6:2:4，用腐蚀剂浸没单晶硅，此时无腐蚀反应发生，将经表面镀铜后的多孔碳压在硅平面上，使之充分接触，在铜催化下，腐蚀20分钟；
步骤4，将腐蚀后的硅表面浸入氟硅烷和异丙醇混合液中浸泡2天，氟硅烷和异丙醇体积比为1:6，取出干燥，得到具有木材反向结构的硅表面。
图1为制得的经镀铜后的多孔碳微观结构的扫描电镜照片，可见铜原子很好沿着白松表面孔径结构附着。图2为制得的多孔铜的X衍射图谱，从衍射峰可知该材料主要为碳、铜和铜的氧化物。图3为腐蚀后的硅表面微观结构扫描电镜照片，硅表面形成了与白松孔径结构相反的半球状凸起。图4为制得的木材反向结构的硅表面与水的接触角，θ接触角＝144°，具有疏水性。
实施例2
步骤1，将白松木置于木材碳化炉中以2℃/分钟的升温速率加热至600℃，制得具有白松木结构的多孔碳；
步骤2，在多孔碳表面镀铜，镀液为0.03mol/L硫酸铜溶液，电流0.08A/cm2，电镀10分钟，电镀后将多孔碳取出干燥；
步骤3，配制氢氟酸、双氧水、水的混合液腐蚀剂，氢氟酸、双氧水、水的体积比为6:2:1，用腐蚀剂浸没单晶硅，此时无腐蚀反应发生，将经表面镀铜后的多孔碳压在硅平面上，使之充分接触，在铜催化下，腐蚀40分钟。
步骤4，将腐蚀后的硅表面浸入氟硅烷和异丙醇混合液中浸泡15天，氟硅烷和异丙醇体积比为1:4，取出干燥，制得具有具有木材反向结构的硅表面。
实施例3
步骤1，将柳桉木置于木材碳化炉中以3℃/分钟的升温速率加热至800℃，制得具有柳桉木结构的多孔碳；
步骤2，在多孔碳表面镀铜，镀液为0.06mol/L硫酸铜溶液，电流0.01A/cm2，电镀18分钟，电镀后将多孔碳取出干燥；
步骤3，配制氢氟酸、双氧水、水的混合液腐蚀剂，氢氟酸、双氧水、水的体积比为6:2:2，用腐蚀剂浸没单晶硅，此时无腐蚀反应发生，将经表面镀铜后的多孔碳压在硅平面上，使之充分接触，铜在铜催化下，腐蚀30分钟。
步骤4，将腐蚀后的硅表面浸入氟硅烷和异丙醇混合液中浸泡30天，氟硅烷和异丙醇体积比为1:8，取出干燥，制得具有具有木材反向结构的硅表面。
Claims (5)
1.一种利用金属辅助刻蚀具有木材反向结构硅表面的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将木材置于非氧化性气氛中烧结，烧结温度不低于600℃，升温速率不高于3℃/min，制得具有天然木材结构的多孔碳；
步骤2，以0.03～0.06mol/L的硫酸铜溶液为电镀液，采用0.01～0.08A/cm2的电流密度，在多孔碳表面镀铜，电镀10～18min后，取出干燥，得到具有天然木材结构的多孔碳/铜；
步骤3，将多孔碳/铜覆盖在单晶硅平面上，充分接触后，浸没在氢氟酸、双氧水、水的体积比为6：2：1～4的混合腐蚀剂中，在铜的催化下，腐蚀20～40min，得到天然木材反向结构的单晶硅表面；
步骤4，将腐蚀后的单晶硅表面浸入氟硅烷与异丙醇的体积比为1:4～8的混合液中，浸泡结束后取出干燥，制得疏水的具有木材反向结构的硅表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的木材选自白松木、柳桉，所述的烧结温度为600～800℃，所述的升温速率为1～2℃/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的电镀时间为15min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的氢氟酸、双氧水、水的体积比为6:2:4，腐蚀时间为30min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述的氟硅烷和异丙醇的体积比为1:6，浸泡时间为2～15天。
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