CN111188083B - 一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法 - Google Patents

一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法，它包含以下步骤：1)将P型单晶硅片3置于铂片2和银片4之间，然后放入夹板5‑1和夹板5‑2之间，将铂丝8的一端置于铂片2和夹板5‑1之间，将铂丝9置于银片4和夹板5‑2之间，将螺栓6分别穿过夹板5‑1和夹板5‑2对应的圆孔11，再通过旋转螺母7将夹板5‑1和夹板5‑2固定，放入到容器1中；2)制备腐蚀液10；3)将步骤2)的腐蚀液10加入到步骤1)的容器1中；4)将步骤1)的铂丝8连接电源负极，铂丝9连接电源正极，通入电流；5)得到所有面均为多孔硅的样品，该方法解决了制备的多孔硅只占整个硅片表面一部分的问题。

Description

一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法
技术领域
本发明涉及一种多孔硅的制备方法，具体地说是一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法。
背景技术
所谓多孔硅，就是一种纳米硅原子簇为骨架的多孔材料。1956年，美国贝尔实验室的Uhlir最先报道了用阳极腐蚀法可在单晶硅表面生成一层多孔硅，并对它的结构、材料成分和光电性质等进行了研究。1984年，Pickering等人观察到低温(4.2K)下多孔硅在可见光波段的荧光现象。1990年，Canham发现室温下多孔硅在近红外区和可见光区发射强烈的荧光，这种现象引起了国内外学术界非常大的兴趣，使多孔硅的研究进入了一个新阶段，即多孔硅室温发光研究阶段。多孔硅的光致发光现象打破了单晶硅难以实现高效率发光的禁锢,预示着用单晶硅制备发光器件进而实现全硅光电子集成的美好前景。多年来，世界各国的研究者对多孔硅的制备方法、表面形态、发光特性以及发光机理等方面进行了广泛而深入的研究，取得了令人瞩目的进展。1996年，Hirschman等制成了一个光电子集成发光阵列，这是多孔硅光电子集成的首例,是一个重大突破,这更使人们对多孔硅发光的应用前景感到乐观，也为光电子和微电子的全硅集成带来希望。
自从多孔硅报道以来，多孔硅发光不断有新的进展。目前，人们已经发展了很多制备多孔硅样品的方法，如电化学阳极腐蚀法、水热腐蚀法、火花腐蚀法和光辐射辅助化学腐蚀法等，其中电化学阳极腐蚀法是制备多孔硅最常用的方法。电化学阳极腐蚀法包括单槽和双槽两种方法。单槽法一般是将硅片的下表面与平板电极相连，上表面的一部分与腐蚀液相接触，通电腐蚀后，只有与腐蚀液相接触的这一部分形成多孔硅。双槽法虽然实现了双面与腐蚀液相接触，但由于固定硅片的需要，还是有相当一部分硅的表面无法与腐蚀液相接触。这就造成制备的多孔硅只占整个硅片表面的一部分，还有一部分或大部分的硅表面仍为普通硅片，这部分是无用的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法。解决了制备的多孔硅只占整个硅片表面一部分的问题。
本发明提供的一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法，包括以下步骤:
1)取铂片2、P型单晶硅片3、银片4各一片，将P型单晶硅片3置于铂片2和银片4之间，然后放入夹板5-1和夹板5-2之间，将铂丝8的一端置于铂片2和夹板5-1之间，将铂丝9置于银片4和夹板5-2之间，将螺栓6分别穿过夹板5-1和夹板5-2对应的圆孔11，再通过旋转螺母7将夹板5-1和夹板5-2固定，最后把装置放入到容器1中，使夹板5-1和夹板5-2竖直放置；
2)制备腐蚀液10，将无水乙醇和40％氢氟酸溶液按体积比为1:6～2:1进行混合，得到腐蚀液10；
3)将步骤2)的腐蚀液10加入到步骤1)的容器1中，腐蚀液10要淹没步骤1)中竖直放置的夹板5-1和夹板5-2；
4)将步骤1)的铂丝8连接电源负极，铂丝9连接电源正极，通入电流，使电流大小与硅片全部表面的面积比为2.5～150mA/cm2，通入电流的时间为10～80min；
5)将反应后的P型单晶硅片3取出并在室温下干燥，得到所有面均为多孔硅的样品，在紫外光照射下，整个样品表面发射可见光。
所述步骤1)的铂片2、P型单晶硅片3、银片4的面积比为6～8：3～5：1～2；
所述步骤1)的夹板5-1、夹板5-2、螺栓6、螺母7、容器1的材料为聚四氟乙烯；
本发明与普通电化学腐蚀法制备多孔硅不同。普通电化学腐蚀法中，单晶硅片只有一部分与腐蚀液相接触，所以只有一部分腐蚀成多孔硅，而其它部分没有变化。本发明中，利用聚四氟乙烯夹板5-1和夹板5-2将P型单晶硅片3、银片4、铂丝电极8和铂丝电极9固定后，整个装置放入腐蚀液10中，腐蚀液10将整个P型单晶硅片3淹没。在反应过程中，银片4作为阳极，银片4表面有部分反应后生成银离子，银片4表面变得粗糙，使腐蚀液10可以流入银片4与P型单晶硅片3之间的空隙。在电流、银离子和腐蚀液10的共同作用下，P型单晶硅片3的上下表面均得到腐蚀。因为铂片2、P型单晶硅片3、银片4的面积比为6～8：3～5：1～2，也就是说铂片2的面积大于P型单晶硅片3的面积，P型单晶硅片3的面积大于银片4的面积，这种结构使P型单晶硅片3不与铂片2和银片4相接触的表面也都生成了多孔硅。因此在紫外光照射下，可以实现全表面发光。
本发明的优点在于，该装置结构简单，操作方便。用该装置所制作的多孔硅全部表面都发光，使多孔部分的产率显著增加，节约了原材料，扩展了多孔硅的应用范围。
附图说明
图1为本发明的整体装置的结构示意图。
图2为夹板5-1的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明加以详细说明，但本发明并不限于此。
本发明提供的一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法，包括以下步骤:
1)取铂片2、P型单晶硅片3、银片4各一片，将P型单晶硅片3置于铂片2和银片4之间，然后放入夹板5-1和夹板5-2之间，将铂丝8的一端置于铂片2和夹板5-1之间，将铂丝9置于银片4和夹板5-2之间，将螺栓6分别穿过夹板5-1和夹板5-2对应的圆孔11，再通过旋转螺母7将夹板5-1和夹板5-2固定，最后把装置放入到容器1中，使夹板5-1和夹板5-2竖直放置；
2)制备腐蚀液10，将无水乙醇和40％氢氟酸溶液按体积比为1:6～2:1进行混合，得到腐蚀液10；
3)将步骤2)的腐蚀液10加入到步骤1)的容器1中，腐蚀液10要淹没步骤1)中竖直放置的夹板5-1和夹板5-2；
4)将步骤1)的铂丝8连接电源负极，铂丝9连接电源正极，通入电流，使电流大小与硅片全部表面的面积比为2.5～150mA/cm2，通入电流的时间为10～80min；
5)将反应后的P型单晶硅片3取出并在室温下干燥，得到所有面均为多孔硅的样品，在紫外光照射下，整个样品表面发射可见光。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
参见图1，电化学制备全表面发光的多孔硅的方法中，所用装置包容器1、铂片2、P型单晶硅片3、银片4、夹板5-1和夹板5-2、螺栓6、螺母7、铂丝8和铂丝9。铂丝8位于铂片2和夹板5-1之间，与铂片2形成良好的接触；铂丝9位于银片4和夹板5-2之间，与银片4形成良好的接触；
参见图2，夹板5-1和夹板5-2分别具有四个孔洞，通过调节四根螺栓6和四个螺母7将P型单晶硅片3固定于铂片2和银片4之间。
参见图1，夹板5-1和夹板5-2竖直放置，以使反应生成的气体尽快离开腐蚀液。
本发明中，铂丝9连接电源正极，铂丝9与银片4相连接，银片4作为阳极，通电后银片4的表面有部分生成银离子，银片4表面变得粗糙，使腐蚀液10可以流入银片4与P型单晶硅片3之间的空隙。在电流、银离子和腐蚀液10的共同作用下，P型单晶硅片3的上下表面均得到腐蚀。
本发明中，铂片2、P型单晶硅片3、银片4的面积比为6～8：3～5：1～2；也就是说铂片2的面积大于P型单晶硅片3的面积，P型单晶硅片3的面积大于银片4的面积，这种结构使P型单晶硅片3的四周与铂片2之间产生了电势差，因此使P型单晶硅片3不与铂片2和银片4相接触的表面也都生成了多孔硅。
实施例1
1)取铂片2、P型单晶硅片3、银片4各一片，铂片2、P型单晶硅片3和银片4的面积比为8：5：2，将P型单晶硅片3置于铂片2和银片4之间，然后放入夹板5-1和夹板5-2之间，将铂丝8的一端置于铂片2和夹板5-1之间，将铂丝9置于银片4和夹板5-2之间，将螺栓6分别穿过夹板5-1和夹板5-2对应的圆孔11，再通过旋转螺母7将夹板5-1和夹板5-2固定，最后把装置放入到容器1中，使夹板5-1和夹板5-2竖直放置；
2)制备腐蚀液10，将无水乙醇和40％氢氟酸溶液按体积比为1:6进行混合，得到腐蚀液10；
3)将步骤2)的腐蚀液10加入到步骤1)的容器1中，腐蚀液10要淹没步骤1)中竖直放置的夹板5-1和夹板5-2；
4)将步骤1)的铂丝8连接电源负极，铂丝9连接电源正极，通入电流，使电流大小与硅片全部表面的面积比为2.5mA/cm2，通入电流的时间为80min；
5)将反应后的P型单晶硅片3取出并在室温下干燥，得到所有面均为多孔硅的样品，在紫外光照射下，整个样品表面发射可见光。
实施例2
1)取铂片2、P型单晶硅片3、银片4各一片，铂片2、P型单晶硅片3和银片4的面积比为7：4：1，将P型单晶硅片3置于铂片2和银片4之间，然后放入夹板5-1和夹板5-2之间，将铂丝8的一端置于铂片2和夹板5-1之间，将铂丝9置于银片4和夹板5-2之间，将螺栓6分别穿过夹板5-1和夹板5-2对应的圆孔11，再通过旋转螺母7将夹板5-1和夹板5-2固定，最后把装置放入到容器1中，使夹板5-1和夹板5-2竖直放置；
2)制备腐蚀液10，将无水乙醇和40％氢氟酸溶液按体积比为1:3进行混合，得到腐蚀液10；
3)将步骤2)的腐蚀液10加入到步骤1)的容器1中，腐蚀液10要淹没步骤1)中竖直放置的夹板5-1和夹板5-2；
4)将步骤1)的铂丝8连接电源负极，铂丝9连接电源正极，通入电流，使电流大小与硅片全部表面的面积比为75mA/cm2，通入电流的时间为45min；
5)将反应后的P型单晶硅片3取出并在室温下干燥，得到所有面均为多孔硅的样品，在紫外光照射下，整个样品表面发射可见光。
实施例3
1)取铂片2、P型单晶硅片3、银片4各一片，铂片2、P型单晶硅片3和银片4的面积比为6：3：1，将P型单晶硅片3置于铂片2和银片4之间，然后放入夹板5-1和夹板5-2之间，将铂丝8的一端置于铂片2和夹板5-1之间，将铂丝9置于银片4和夹板5-2之间，将螺栓6分别穿过夹板5-1和夹板5-2对应的圆孔11，再通过旋转螺母7将夹板5-1和夹板5-2固定，最后把装置放入到容器1中，使夹板5-1和夹板5-2竖直放置；
2)制备腐蚀液10，将无水乙醇和40％氢氟酸溶液按体积比为2:1进行混合，得到腐蚀液10；
3)将步骤2)的腐蚀液10加入到步骤1)的容器1中，腐蚀液10要淹没步骤1)中竖直放置的夹板5-1和夹板5-2；
4)将步骤1)的铂丝8连接电源负极，铂丝9连接电源正极，通入电流，使电流大小与硅片全部表面的面积比为150mA/cm2，通入电流的时间为10min；
5)将反应后的P型单晶硅片3取出并在室温下干燥，得到所有面均为多孔硅的样品，在紫外光照射下，整个样品表面发射可见光。

Claims (2)

1.一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法，其特征在于，它包含以下步骤：
1）取铂片（2）、P型单晶硅片（3）、银片（4）各一片，将P型单晶硅片（3）置于铂片（2）和银片（4）之间，然后放入夹板一（5-1）和夹板二（5-2）之间，将铂丝一（8）的一端置于铂片（2）和夹板一（5-1）之间，将铂丝二（9）置于银片（4）和夹板二（5-2）之间，将螺栓（6）分别穿过夹板一（5-1）和夹板二（5-2）对应的圆孔（11），再通过旋转螺母（7）将夹板一（5-1）和夹板二（5-2）固定，最后把装置放入到容器（1）中，使夹板一（5-1）和夹板二（5-2）竖直放置；其中，铂片（2）、P型单晶硅片（3）、银片（4）的面积比为6～8：3～5：1～2；
2）制备腐蚀液（10），将无水乙醇和40%氢氟酸溶液按体积比为1:6～2:1进行混合，得到腐蚀液（10）；
3）将步骤2）的腐蚀液（10）加入到步骤1）的容器（1）中，腐蚀液（10）要淹没步骤1）中竖直放置的夹板一（5-1）和夹板二（5-2）；
4）将步骤1）的铂丝一（8）连接电源负极，铂丝二（9）连接电源正极，通入电流，使电流大小与硅片全部表面的面积比为2.5～150mA/cm2，通入电流的时间为10～80min;
5）将反应后的P型单晶硅片（3）取出并在室温下干燥，得到所有面均为多孔硅的样品，在紫外光照射下，整个样品表面发射可见光。
2.根据权利要求1所述的一种电化学制备全表面发光的多孔硅的方法，其特征在于，所述夹板一（5-1）、夹板二（5-2）、螺栓（6）、螺母（7）、容器（1）的材料为聚四氟乙烯。
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