RU2796247C1 - Method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon - Google Patents
Method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796247C1 RU2796247C1 RU2022122510A RU2022122510A RU2796247C1 RU 2796247 C1 RU2796247 C1 RU 2796247C1 RU 2022122510 A RU2022122510 A RU 2022122510A RU 2022122510 A RU2022122510 A RU 2022122510A RU 2796247 C1 RU2796247 C1 RU 2796247C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- porous silicon
- solution
- substrate
- functionalizing
- fullerenols
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии синтеза композиционных наноструктур, а именно к способам изготовления пористых функционализированных слоев, выполненных на поверхности монокристаллического кремния.The invention relates to a technology for the synthesis of composite nanostructures, and in particular to methods for manufacturing porous functionalized layers made on the surface of single-crystal silicon.
Под функционализацией подразумевается модификация поверхности наноструктуры для последующего применения в различных областях: биологических, медицинских, инженерных и др. Функционализацию проводят с использованием широкого диапазона материалов, представленных металлами, неметаллами, органическими молекулами, коллоидными квантовыми точками, магнитными наночастицами и др., которые выступают в качестве функционализирующих элементов. На практике данный тип наноструктур на основе пористого кремния может быть использован в широком диапазоне устройств, в том числе в качестве источников сигнала в видимом диапазоне электромагнитного излучения фото- и электролюминесцентных элементов для инфокоммуникационных систем оптической коммуникации (MAYERGOYZ ID. Plasmon Resonances in Nanoparticles. World Scientific. 2013. 325 c., ISBN 978-981-4350-65-5). В зависимости от степени пористости и эффективного показателя преломления на базе данных структур возможна реализация как полупроводниковых, так и диэлектрических слоев в приборах и интегральных схемах, в частности, для создания планарных световодов, оптических резонансных сенсоров (SAARINEN J, WEISS S, FAUCHET P, SIPE J. Optical sensor based on resonant porous silicon structures. Opt Express. Май 2005, т.16, №13(10), с. 3754-3764), подложек для анализа структур методом поверхностно усиленного Рамановского рассеяния (SERS) (GIORGIS F. Porous silicon as efficient surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate. Applied Surface Science. Сентябрь 2008, т.254, №22, 15, с. 7494-7497), а также фильтров в оптическом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне (LIU J, CAI H, TANG K, KONG L. Plasmonic Filters Based on Lithographically Patterned Hexagonally Arranged Triangular Silver Nanoparticles Array. Advances in Materials Science and Engineering. Июль 2015 г., т.2015, №195320, 9 c.).Functionalization refers to the modification of the surface of a nanostructure for subsequent use in various fields: biological, medical, engineering, etc. Functionalization is carried out using a wide range of materials represented by metals, nonmetals, organic molecules, colloidal quantum dots, magnetic nanoparticles, etc., which act as as functional elements. In practice, this type of porous silicon-based nanostructures can be used in a wide range of devices, including as signal sources in the visible range of electromagnetic radiation of photo- and electroluminescent elements for infocommunication systems of optical communication (MAYERGOYZ ID. Plasmon Resonances in Nanoparticles. World Scientific 2013. 325 pp., ISBN 978-981-4350-65-5). Depending on the degree of porosity and the effective refractive index on the basis of these structures, it is possible to implement both semiconductor and dielectric layers in devices and integrated circuits, in particular, to create planar optical fibers, optical resonant sensors (SAARINEN J, WEISS S, FAUCHET P, SIPE J. Optical sensor based on resonant porous silicon structures, Opt Express, May 2005, v.16, no. Porous silicon as efficient surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate Applied Surface Science Sep 254 No 22 15 pp 7494-7497), as well as optical and near ultraviolet filters (LIU J, CAI H, TANG K, KONG L. Plasmonic Filters Based on Lithographically Patterned Hexagonally Arranged Triangular Silver Nanoparticles Array, Advances in Materials Science and Engineering, July 2015, Vol. 195320, 9 pp.
Известны различные способы получения функционализированных наноструктур на основе пористого кремния. Например, известен способ получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, представленный в патенте RU 2699310 «Способ изготовления чувствительных к гигантскому комбинационному рассеянию подложек на основе пористого кремния, содержащего наночастицы серебра», H01L 21/265, B82Y 40/00, опубл. 04.09.2019, где в качестве функционализирующего элемента выступает серебро. Способ включает процедуру ионной имплантации исходной поверхности монокристаллического кремния ионами серебра с энергией 4-120 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 1,0⋅1019 - 6,5 1023 атомов/см3 и плотностью тока ионного пучка 2⋅1012 - 1·1014 ион/см2.There are various methods for obtaining functionalized nanostructures based on porous silicon. For example, there is a known method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, presented in patent RU 2699310 "Method of manufacturing sensitive to giant Raman substrates based on porous silicon containing silver nanoparticles", H01L 21/265, B82Y 40/00, publ. 09/04/2019, where silver acts as a functionalizing element. The method includes the procedure of ion implantation of the initial surface of single-crystal silicon with silver ions with an energy of 4-120 keV, an irradiation dose that ensures the concentration of the introduced metal atoms in the irradiated substrate 1.0⋅10 19 - 6.5 10 23 atoms/cm 3 and the current density of the ion beam 2⋅10 12 - 1 10 14 ion/cm 2 .
Недостатком известного способа является ограниченная глубина проникновения (10 нм), а также неравномерное распределение функционализирующего элемента в виде серебра в порах подложки из пористого кремния. Кроме того, стоимость использования механизма ионной имплантации достаточно высока, а эффективная бомбардировки мишени всеми типами частиц невозможна (при этом использование тяжелых частиц может привести к образованию существенных дефектов подложки из пористого кремния).The disadvantage of the known method is the limited penetration depth (10 nm), as well as the uneven distribution of the functionalizing element in the form of silver in the pores of the porous silicon substrate. In addition, the cost of using the ion implantation mechanism is quite high, and efficient bombardment of the target by all types of particles is impossible (in this case, the use of heavy particles can lead to the formation of significant defects in the porous silicon substrate).
Также известен способ получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, представленный в статье CHAN S, KWON S, KOO TW, LEE LP, BERLIN AA. Surface-Enhanced Raman Scattering of Small Molecules from Silver-Coated Silicon Nanopores. Adv. Mater. Октябрь 2003, т. 15, №19, с. 1595-1598, где в качестве функционализирующего элемента выступает серебро. Способ включает процедуру травления подложки из кремния для получения подложки из пористого кремния, пассивацию поверхности пористого кремния путем плазменного окисления, осушение полученной подложки потоком аргона, функционализацию подложки из пористого кремния путем погружения в металлсодержащий раствор соли Ag, удаление излишков раствора соли Ag потоком азота, нагрев функционализированной серебром подложки до температуры 100 C на протяжении 20 минут для испарения растворителя и адсорбции соли Ag на стенки пор, нагрев функционализированной металлами подложки до температуры 500 C на протяжении 30 минут для разложения соли на Ag и газы NO2 и O2.Also known is a method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, presented in the article CHAN S, KWON S, KOO TW, LEE LP, BERLIN AA. Surface-Enhanced Raman Scattering of Small Molecules from Silver-Coated Silicon Nanopores. Adv. mater. October 2003, vol. 15, no. 19, p. 1595-1598, where silver acts as a functionalizing element. The method includes the procedure for etching a silicon substrate to obtain a porous silicon substrate, passivation of the porous silicon surface by plasma oxidation, drying the resulting substrate with an argon flow, functionalizing the porous silicon substrate by immersing in a metal-containing Ag salt solution, removing excess Ag salt solution with a nitrogen flow, heating silver-functionalized substrate to a temperature of 100 C for 20 minutes to evaporate the solvent and adsorb the Ag salt on the pore walls, heating the metal-functionalized substrate to a temperature of 500 C for 30 minutes to decompose the salt into Ag and NO 2 and O 2 gases.
Недостатком известного способа является ограниченная глубина проникновения функционализирующего элемента в виде серебра в поры подложки из пористого кремния, составляющая 10 мкм. Кроме того, практическая реализация способа представляет определенную сложность, обусловленную многостадийностью и длительностью процесса, а для этапа микродугового (плазменного) окисления требуется дорогостоящее оборудование.A disadvantage of the known method is the limited depth of penetration of the functionalizing element in the form of silver into the pores of the porous silicon substrate, which is 10 μm. In addition, the practical implementation of the method presents a certain complexity due to the multi-stage and duration of the process, and the stage of microarc (plasma) oxidation requires expensive equipment.
Также известен способ получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, представленный в статье NATIV-ROTH E, RECHAV K, PORAT Z. Deposition of gold and silver on porous silicon and inside the pores. Thin Solid Films. Март 2016 г., т. 603, с. 88-96, где функционализирующий элемент выбирают из ряда серебро, золото. Способ включает процедуру травления подложки из кремния p-типа c кристаллографической ориентацией 100 и удельным сопротивлением 0,002-0,005 Ом⋅см для получения подложки из пористого кремния, ультразвуковую обработку подложки из пористого кремния в этаноле, функционализацию подложки из пористого кремния путем погружения в раствор солей металлов, выбранных из ряда Ag, Au.Also known is a method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, presented in the article NATIV-ROTH E, RECHAV K, PORAT Z. Deposition of gold and silver on porous silicon and inside the pores. Thin Solid Films. March 2016, vol. 603, p. 88-96, where the functionalizing element is selected from the range of silver, gold. The method includes the procedure for etching a p-type silicon substrate with a crystallographic orientation of 100 and a resistivity of 0.002-0.005 Ohm⋅cm to obtain a porous silicon substrate, ultrasonic treatment of the porous silicon substrate in ethanol, functionalization of the porous silicon substrate by immersion in a solution of metal salts selected from a series of Ag, Au.
Недостатком известного способа является незначительная глубина (порядка 100 нм) и неравномерность проникновения функционализирующих элементов, выбранных из ряда серебро, золото, в слой пористого кремния из-за наличия газообразного водорода, находящегося в порах, гидрофобной природы полученной поверхности пористого кремния, высокой скорости восстановления ионов металлов, по сравнению со скоростью их диффузии, а также неконтролируемое образование агломератов Ag и Au размерами до 500 мкм на поверхности пористого кремния.The disadvantage of the known method is an insignificant depth (of the order of 100 nm) and uneven penetration of functionalizing elements selected from a series of silver, gold, into the layer of porous silicon due to the presence of gaseous hydrogen in the pores, the hydrophobic nature of the resulting surface of porous silicon, the high rate of reduction of ions metals, compared with their diffusion rate, as well as the uncontrolled formation of Ag and Au agglomerates up to 500 µm in size on the surface of porous silicon.
Также известен способ получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, представленный в статье HARRAZ F, TSUBOI T, SASANO J, SAKKA T, OGATA Y. Metal Deposition onto a Porous Silicon Layer by Immersion Plating from Aqueous and Nonaqueous Solutions. Journal of The Electrochemical Society. Август 2002 г., т. 149, c. C456-C463, где функционализирующий элемент выбирают из ряда серебро, медь, никель. Способ включает процедуру травления подложки из кремния p-типа c кристаллографической ориентацией 100 и удельным сопротивлением 10 Ом⋅см для получения подложки из пористого кремния, удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя химическим травлением в 5% водном растворе плавиковой кислоты, осушение полученной подложки потоком аргона, функционализацию подложки из пористого кремния путем погружения в раствор солей металлов, выбранных из ряда Ag, Cu, Ni.Also known is a method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, presented in the article HARRAZ F, TSUBOI T, SASANO J, SAKKA T, OGATA Y. Metal Deposition onto a Porous Silicon Layer by Immersion Plating from Aqueous and Nonaqueous Solutions. Journal of The Electrochemical Society. August 2002, vol. 149, p. C456-C463, where the functionalizing element is selected from the range of silver, copper, nickel. The method includes the procedure of etching a p-type silicon substrate with a crystallographic orientation of 100 and a resistivity of 10 Ohm⋅cm to obtain a porous silicon substrate, removing the surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate by chemical etching in a 5% aqueous solution of hydrofluoric acid, drying the resulting substrates with an argon flow, functionalization of a porous silicon substrate by immersion in a solution of metal salts selected from the range of Ag, Cu, Ni.
Недостатком данного способа является невозможность произвести осаждение функционализирующих элементов равномерно на всю глубину пористого слоя. Кроме того, присутствуют технологические трудности при функционализации подложки из пористого кремния функционализирующим элементом в виде никеля, поскольку наблюдается окисление пористого кремния, происходящее одновременно с осаждением металла, а также имеются кардинальные отличия параметров технологии, связанные с потенциалами окислительно-восстановительных пар каждого металла в растворе солей.The disadvantage of this method is the impossibility of deposition of functionalizing elements evenly over the entire depth of the porous layer. In addition, there are technological difficulties in the functionalization of a porous silicon substrate with a functionalizing element in the form of nickel, since the oxidation of porous silicon is observed, which occurs simultaneously with the deposition of the metal, and there are also cardinal differences in the technology parameters associated with the potentials of the redox pairs of each metal in a salt solution. .
Также известен способ получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, представленный в статье HARRAZ F. Synthesis and surface properties of magnetite (Fe3O4) nanoparticles infiltrated into porous silicon template. Applied Surface Science. Декабрь 2016 г., т.287, с.203-210, где в качестве функционализирующего элемента используют наночастицы магнетита. Способ включает процедуру электрохимического травления подложки из кремния n-типа c кристаллографической ориентацией 100, удельным сопротивлением 0,010-0,018° Ом⋅см, толщиной 381 мкм для получения подложки из пористого кремния, гидротермальный синтез наночастиц магнетита, растворение полученных наночастиц в толуоле для получения суспензии наночастиц магнетита, функционализацию подложки из пористого кремния путем ее погружения в суспензию наночастиц магнетита.Also known is a method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, presented in the article HARRAZ F. Synthesis and surface properties of magnetite (Fe 3 O 4 ) nanoparticles infiltrated into porous silicon template. Applied Surface Science. December 2016, vol. 287, pp. 203-210, where magnetite nanoparticles are used as a functionalizing element. The method includes the procedure of electrochemical etching of an n-type silicon substrate with a crystallographic orientation of 100, a resistivity of 0.010-0.018° Ohm⋅cm, and a thickness of 381 μm to obtain a substrate of porous silicon, hydrothermal synthesis of magnetite nanoparticles, dissolving the obtained nanoparticles in toluene to obtain a suspension of nanoparticles magnetite, functionalization of a porous silicon substrate by immersing it in a suspension of magnetite nanoparticles.
Недостатком известного способа является низкая толщина полученной функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, составляющая 1 мкм, а также неравномерность проникновения функционализирующего элемента в виде наночастиц магнетита в слой пористого кремния из-за наличия воздуха в порах, гидрофобной природы полученной поверхности пористого кремния и неконтролируемой агломерации наночастиц магнетита.The disadvantage of the known method is the low thickness of the obtained functionalized nanostructure based on porous silicon, which is 1 μm, as well as the uneven penetration of the functionalizing element in the form of magnetite nanoparticles into the porous silicon layer due to the presence of air in the pores, the hydrophobic nature of the resulting porous silicon surface and uncontrolled agglomeration of nanoparticles. magnetite.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ получения функционализированной серебром структуры на основе пористого кремния, представленный в статье СМЕРДОВ РС, ЛОБОДА ВВ, СПИВАК ЮМ, МОШНИКОВ ВА Заграждающий фильтр видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона для флуоресцентного микроскопа на основе явления плазмонного резонанса. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. Сентябрь 2016 г., №3(247), с.13-22, который включает проведение электрохимического травления подложки из кремния для получения подложки из пористого кремния, и функционализацию подложки из пористого кремния путем катодного электрохимического осаждения функционализиующего элемента в виде метала (серебра) из водного раствора нитрата серебра.Closest to the claimed technical essence is a method for obtaining a silver-functionalized structure based on porous silicon, presented in the article SMERDOV RS, LOBODA VV, SPIVAK YUM, MOSHNIKOV VA Blocking filter for the visible and near ultraviolet range for a fluorescent microscope based on the phenomenon of plasmon resonance. Scientific and technical statements of St. Petersburg State Polytechnical University. Computer science. Telecommunications. Control. September 2016, No. 3 (247), pp. 13-22, which includes electrochemical etching of a silicon substrate to obtain a porous silicon substrate, and functionalization of the porous silicon substrate by cathodic electrochemical deposition of a functionalizing element in the form of metal (silver) from an aqueous solution of silver nitrate.
Недостатками прототипа являются низкая глубина проникновения функционализиующего элемента в виде металла (серебра) в слой пористого кремния, неравномерное покрытие функционализиующим элементом как по поверхности, так и по глубине пористого слоя, обусловленное в частности, неконтролируемым образованием агломератов серебра размерами до 1,5 мкм на поверхности пористого кремния.The disadvantages of the prototype are the low depth of penetration of the functionalizing element in the form of metal (silver) into the layer of porous silicon, uneven coverage of the functionalizing element both on the surface and in the depth of the porous layer, due in particular to the uncontrolled formation of silver agglomerates up to 1.5 μm on the surface. porous silicon.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в повышении глубины проникновения функционализирующего элемента в слой пористого кремния и достижение равномерности покрытия функционализирующим элементом как по поверхности, так и по глубине пористого слоя.The objective of the claimed invention is to create a method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, which makes it possible to provide a technical result that consists in increasing the penetration depth of the functionalizing element into the porous silicon layer and achieving uniformity of the functionalizing element coverage both over the surface and in the depth of the porous layer.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния, включающем получение подложки из пористого кремния и дальнейшую ее функционализацию, перед функционализацией проводят удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя, далее подложку из пористого кремния выдерживают в растворе одноатомного спирта, а ее функционализацию проводят, погружая в раствор допированных фуллеренолов, который получают, диспергируя в дистиллированной воде фуллеренолы, допированные требуемыми функционализирующими элементами, и проводя выдержку подложки из пористого кремния в растворе допированных фуллеренолов, а затем полученную функционализированную наноструктуру извлекают и проводят их сушку.The essence of the invention lies in the fact that in a method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon, including obtaining a substrate from porous silicon and its further functionalization, before functionalization, the surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate is removed, then the porous silicon substrate is kept in solution monohydric alcohol, and its functionalization is carried out by immersing in a solution of doped fullerenols, which is obtained by dispersing fullerenols doped with the required functionalizing elements in distilled water, and holding the porous silicon substrate in a solution of doped fullerenols, and then the resulting functionalized nanostructure is removed and dried .
Удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя можно проводить либо химическим травлением, механическим удалением, фокусированными ионными пучками.The removal of the surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate can be carried out either by chemical etching, mechanical removal, or focused ion beams.
Раствор одноатомного спирта можно выполнить с использованием либо изопропанола, либо метанола, либо этанола.The monohydric alcohol solution can be made using either isopropanol, or methanol, or ethanol.
Требуемые функциализирующие элементы, которыми допированы фуллеренолы могут представлять собой либо металлы, либо неметаллы, либо металлы и неметаллы совместно.The required functionalizing elements with which fullerenols are doped can be either metals or non-metals, or metals and non-metals together.
Выдержку погруженной в раствор допированных фуллеренолов подложки из пористого кремния можно проводить либо статически, либо динамически, например, путем центрифугирования.Exposure of a porous silicon substrate immersed in a solution of doped fullerenols can be carried out either statically or dynamically, for example, by centrifugation.
Существенность отличий предлагаемого изобретения заключается в следующем:The essential differences of the present invention are as follows:
удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя открывает доступ к системе каналов пор в пористом кремнии, способствуя непосредственному проникновению функционализирующих элементов и более равномерному их распределению в слое пористого кремния;removal of the surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate opens access to the system of pore channels in porous silicon, facilitating the direct penetration of functionalizing elements and their more uniform distribution in the porous silicon layer;
выдержка подложки из пористого кремния в растворе одноатомного спирта (изопропанол, метанол, этанол) предотвращает образование воздушной пробки, улучшает смачиваемость поверхности пористого кремния, снижая ее поверхностное натяжение, что способствует глубокому и равномерному распределению функционализирующих элементов в слое пористого кремния;keeping the porous silicon substrate in a solution of monohydric alcohol (isopropanol, methanol, ethanol) prevents the formation of an air pocket, improves the wettability of the porous silicon surface, reducing its surface tension, which contributes to a deep and uniform distribution of functionalizing elements in the porous silicon layer;
использование фуллеренолов допированных требуемыми функционализирующими элементами, обеспечивает улучшенную их доставку в пористую наноструктуру. Фуллеренол характеризуется малыми размерами (порядка 1 нм) и наличием OH-групп.Наличие OH-групп приводит к увеличению глубины проникновения и равномерности распределения функционализирующего элемента, которым допирован фуллеринол, поскольку поверхность пористого кремния, выдержанная в одноатомном спирте, обладает свойством гидрофильности. Малые размеры допированного фуллеренола способствуют его проникновению в поры пористого кремния даже самых малых размеров (например, в микропоры, диаметр которых составляет менее 2 нм). Кроме того, допированный фуллеренол обеспечивает возможность функционализации пористого кремния широким диапазоном металлов, неметаллов, либо металлов и неметаллов совместно, что крайне затруднено или невозможно другими способами;the use of fullerenols doped with the required functionalizing elements ensures their improved delivery into the porous nanostructure. Fullerenol is characterized by small size (on the order of 1 nm) and the presence of OH groups. The presence of OH groups leads to an increase in the penetration depth and uniform distribution of the functionalizing element with which fullerinol is doped, since the surface of porous silicon, aged in monohydric alcohol, has the property of hydrophilicity. The small size of doped fullerenol facilitates its penetration into the pores of porous silicon, even the smallest sizes (for example, into micropores with a diameter of less than 2 nm). In addition, doped fullerenol makes it possible to functionalize porous silicon with a wide range of metals, non-metals, or metals and non-metals together, which is extremely difficult or impossible in other ways;
использование дистиллированной воды (полярной жидкости) для диспергирования допированного фуллеренола обеспечивает его высокую растворимость, способствуя равномерности распределения функционализирующих элементов в подложке из пористого кремния с гидрофильной поверхностью;the use of distilled water (polar liquid) for dispersing doped fullerenol ensures its high solubility, contributing to the uniform distribution of functionalizing elements in a porous silicon substrate with a hydrophilic surface;
в процессе динамической или статической выдержки подложек из пористого кремния в полярном растворе допированных фуллеренолов происходит диффузия функционализирующих элементов и их равномерная адсорбция на всю глубину слоя пористого кремния. Использование динамической выдержки усиливает конвекцию раствора допируемых функционализирующими элементами фуллеренолов в подложку из пористого кремния.During the dynamic or static soaking of porous silicon substrates in a polar solution of doped fullerenols, diffusion of functionalizing elements occurs and their uniform adsorption over the entire depth of the porous silicon layer. The use of dynamic exposure enhances the convection of a solution of fullerenols doped with functionalizing elements into a porous silicon substrate.
Выдержка погруженной в раствор допированных фуллеренолов подложки из пористого кремния проводят либо статически, либо динамически, например, путем центрифугирования, для улучшения проникновения функционализирующих элементовExposure of a porous silicon substrate immersed in a solution of doped fullerenols is carried out either statically or dynamically, for example, by centrifugation, to improve the penetration of functionalizing elements
Совокупность описанных существенных отличий предлагаемого изобретения позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении глубины проникновения функционализирующего элемента в слой пористого кремния и достижении равномерности покрытия функционализирующим элементом как по поверхности, так и по глубине пористого слоя.The combination of the described essential differences of the present invention makes it possible to achieve a technical result, which consists in increasing the depth of penetration of the functionalizing element into the porous silicon layer and achieving uniformity of the coating with the functionalizing element both over the surface and in the depth of the porous layer.
Предлагаемое изобретение иллюстрируют следующие изображения.The invention is illustrated by the following images.
Фиг. 1. Изображение, полученное на растровом электронном микроскопе (РЭМ), демонстрирующее поверхность пористого кремния, покрытую поверхностным слоем.Fig. 1. Scanning electron microscope (SEM) image showing the surface of porous silicon coated with a surface layer.
Фиг. 2. РЭМ-изображение (вид сверху) функционализированной наноструктуры, полученной по Примеру 1.Fig. 2. SEM image (top view) of the functionalized nanostructure obtained in Example 1.
Фиг. 3. РЭМ-изображение (скол) функционализированной наноструктуры, полученной по Примеру 1:Fig. 3. SEM image (cleavage) of the functionalized nanostructure obtained according to Example 1:
а) размер масштабной линии 20 мкм;a) the size of the scale line is 20 µm;
б) размер масштабной линии 2 мкм.b) the size of the scale line is 2 µm.
Фиг. 4. Карты распределения функциализирующих элементов на сколе функционализированной наноструктуры, полученной по Примеру 1:Fig. Fig. 4. Maps of the distribution of functionalizing elements on the cleavage of the functionalized nanostructure obtained according to Example 1:
а) суммарная карта распределения элементов (Ag, Si, Al, O, C);a) a summary map of the distribution of elements (Ag, Si, Al, O, C);
б) карта распределения Si;b) Si distribution map;
в) карта распределения Ag;c) Ag distribution map;
г) карта распределения C;d) distribution map C;
д) карта распределения O.e) O distribution map.
Фиг. 5. РЭМ-изображение (вид сверху) функционализированной наноструктуры, полученной по Примеру 2.Fig. 5. SEM image (top view) of the functionalized nanostructure obtained in Example 2.
Фиг. 6. РЭМ-изображение (скол) функционализированной наноструктуры, полученной по Примеру 2.Fig. 6. SEM image (cleavage) of the functionalized nanostructure obtained according to Example 2.
На фиг. 7. Карты распределения химических элементов на сколе функционализированной наноструктуры, полученной по Примеру 2.In FIG. Fig. 7. Maps of the distribution of chemical elements on the cleavage of the functionalized nanostructure obtained according to Example 2.
а) суммарная карта распределения элементов (Cu, Cr, S, Si, O);a) a summary map of the distribution of elements (Cu, Cr, S, Si, O);
б) карта распределения Si;b) Si distribution map;
в) карта распределения O;c) O distribution map;
г) карта распределения Cr;d) Cr distribution map;
д) карта распределения S;e) distribution map S;
e) карта распределения Cu;e) Cu distribution map;
ж) карта распределения K.g) K distribution map.
Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.
Из кремния получают подложки из пористого кремния, например, методами электрохимического, химического, методом искровой эрозии, комбинированным методом электрохимического и химического травления и др.Porous silicon substrates are obtained from silicon, for example, by electrochemical, chemical, spark erosion, combined electrochemical and chemical etching methods, etc.
Проводят удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя. Удаление поверхностного слоя можно проводить либо химическим травлением, либо механическим удалением, либо с помощью технологии фокусированных ионных пучков.The surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate is removed. The removal of the surface layer can be carried out either by chemical etching, mechanical removal, or using focused ion beam technology.
Полученную подложку пористого кремния выдерживают в растворе одноатомного спирта. В качестве одноатомного спирта можно использовать либо изопропанол, либо метанол, либо этанол.The resulting porous silicon substrate is kept in a solution of monohydric alcohol. As the monohydric alcohol, either isopropanol, or methanol, or ethanol can be used.
Выбирают фуллеренолы, допированные требуемыми функциализирующими элементами.Choose fullerenols doped with the required functionalizing elements.
Получают раствор допированных фуллеренолов в полярной жидкости.Get a solution of doped fullerenols in a polar liquid.
Затем подложки из пористого кремния погружают в раствор допированных фуллеренолов, и проводят динамическую (например, путем центрифугирования) или статическую выдержку подложки из пористого кремния в растворе допированных фуллеренолов.Then, porous silicon substrates are immersed in a solution of doped fullerenols, and dynamic (for example, by centrifugation) or static holding of the porous silicon substrate in a solution of doped fullerenols is carried out.
Полученные функционализированные наноструктуры извлекают из раствора и проводят их сушку на воздухе или, например, в инертной атмосфере.The resulting functionalized nanostructures are removed from the solution and dried in air or, for example, in an inert atmosphere.
Примеры реализации предлагаемого способа.Examples of the implementation of the proposed method.
Пример 1. Проводили процедуру электрохимического травления подложки из кремния p-типа c кристаллографической ориентацией 100 и удельным сопротивлением 12 Ом⋅см (КДБ-12) для получения подложки пористого кремния с использованием плотности тока анодирования 20 мА/см2 на протяжении 10 мин (Фиг. 1, где 1 - поверхностный слой, 2 - пористый кремний, 3 - кремний). Проводили удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя химическим травлением в 20% водном растворе плавиковой кислоты на протяжении 2 минут. Полученную подложку пористого кремния выдерживали в растворе изопропанола. Example 1. Electrochemical etching of a p-type silicon substrate with a crystallographic orientation of 100 and a resistivity of 12 Ohm⋅cm (KDB-12) was carried out to obtain a porous silicon substrate using an anodizing current density of 20 mA/cm 2 for 10 min (Fig. 1, where 1 is the surface layer, 2 is porous silicon, and 3 is silicon). The surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate was removed by chemical etching in a 20% aqueous solution of hydrofluoric acid for 2 minutes. The resulting porous silicon substrate was kept in an isopropanol solution.
Выбрали фуллеренолы, допированные требуемыми химическими элементами: серебром и медью.We chose fullerenols doped with the required chemical elements: silver and copper.
Получили раствор допированных фуллеренолов в дистиллированной воде.A solution of doped fullerenols in distilled water was obtained.
Подложки из пористого кремния затем погружали в раствор допированных фуллеренолов, и проводили динамическую выдержку погруженных подложек с использованием центрифугирования на частоте 13500 об/мин в течение 30 мин. Полученные функционализированные наноструктуры извлекали из раствора и проводили их сушку на воздухе.The porous silicon substrates were then immersed in a solution of doped fullerenols, and the immersed substrates were dynamically held using centrifugation at a frequency of 13500 rpm for 30 min. The resulting functionalized nanostructures were removed from the solution and dried in air.
Фиг. 2 иллюстрирует вид полученной функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния (вид сверху). На Фиг. 2 наблюдается равномерное распределение функционализирующих элементов по поверхности пористого кремния. Фиг. 3а иллюстрирует равномерность распределения функционализирующих элементов по глубине слоя пористого кремния; на Фиг. 3б показана равномерность покрытия индивидуальных элементов слоя пористого кремния.Fig. 2 illustrates a view of the resulting functionalized nanostructure based on porous silicon (top view). On FIG. 2, a uniform distribution of functionalizing elements over the surface of porous silicon is observed. Fig. 3a illustrates the uniformity of the distribution of functionalizing elements over the depth of the porous silicon layer; in FIG. 3b shows the uniformity of coverage of the individual elements of the porous silicon layer.
Равномерность распределения требуемых элементов по всему пористому слою подтверждается спектрами характеристического рентгеновского излучения, полученными EDX-методом (фиг. 4). Из фиг. 4 видно, что на EDX картах присутствуют сигналы как от подложки из пористого кремния так и от функционализирующих элементов по всей глубине пористого слоя.The uniform distribution of the required elements throughout the porous layer is confirmed by the characteristic x-ray spectra obtained by the EDX method (Fig. 4). From FIG. Figure 4 shows that the EDX maps contain signals from both the porous silicon substrate and the functionalizing elements throughout the entire depth of the porous layer.
Пример 2.Example 2
Проводили процедуру электрохимического травления подложки из кремния n-типа c кристаллографической ориентацией 111 и удельным сопротивлением 4.5 Ом см (КЭФ-4,5) для получения подложки пористого кремния с использованием плотности тока анодирования 20 мА/см2 на протяжении 10 мин. Проводили удаление образовавшегося на поверхности подложки из пористого кремния поверхностного слоя химическим травлением в 20% водном растворе плавиковой кислоты на протяжении 2 минут. Полученную подложку пористого кремния выдерживали в растворе изопропанола.An n-type silicon substrate with a crystallographic orientation of 111 and a resistivity of 4.5 Ω cm (KEF-4.5) was electrochemically etched to obtain a porous silicon substrate using an anodization current density of 20 mA/ cm2 for 10 min. The surface layer formed on the surface of the porous silicon substrate was removed by chemical etching in a 20% aqueous solution of hydrofluoric acid for 2 minutes. The resulting porous silicon substrate was kept in an isopropanol solution.
Выбрали фуллеренолы, допированные требуемыми химическими элементами: хромом, серой, медью, калием.We chose fullerenols doped with the required chemical elements: chromium, sulfur, copper, and potassium.
Получили раствор допированных фуллеренолов в дистиллированной воде.A solution of doped fullerenols in distilled water was obtained.
Подложки из пористого кремния затем погружали в раствор допированных фуллеренолов, и проводили статическую выдержку погруженных подложек. Полученные функционализированные наноструктуры извлекали из раствора и проводили их сушку на воздухе.The porous silicon substrates were then immersed in a solution of doped fullerenols, and the immersed substrates were statically held. The resulting functionalized nanostructures were removed from the solution and dried in air.
Фиг. 5 иллюстрирует вид полученной функционализированной наноструктуры на основе пористого кремния (вид сверху). На Фиг. 5 наблюдается равномерное распределение функционализирующих элементов по поверхности пористого кремния. Фиг. 6 иллюстрирует равномерность распределения функционализирующих элементов по глубине слоя пористого кремния.Fig. 5 illustrates a view of the resulting functionalized nanostructure based on porous silicon (top view). On FIG. 5, a uniform distribution of functionalizing elements over the surface of porous silicon is observed. Fig. 6 illustrates the uniformity of the distribution of functionalizing elements over the depth of the porous silicon layer.
Равномерность распределения требуемых элементов по всему пористому слою подтверждается спектрами характеристического рентгеновского излучения, полученными EDX-методом (Фиг. 7). Из Фиг. 7 видно, что на EDX картах присутствуют сигналы как от подложки из пористого кремния, так и от функционализирующих элементов по всей глубине пористого слоя.The uniform distribution of the required elements throughout the porous layer is confirmed by the characteristic x-ray spectra obtained by the EDX method (Fig. 7). From FIG. Figure 7 shows that the EDX maps contain signals from both the porous silicon substrate and the functionalizing elements over the entire depth of the porous layer.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет изготавливать наноструктуры на основе пористого кремния равномерно функционализированного требуемыми функционализирующими элементами, благодаря использованию допированного фуллеренола, статической, либо динамической, (например, путем центрифугирования) выдержки погруженных подложек в растворе допированного фуллеренола, а также процесса выдержки подложек из пористого кремния в растворе одноатомного спирта (изопропанол, метанол, этанол) для улучшения проникновения в поры на всей глубине пористого слоя, полученного на поверхности кремния. При этом, в отличие от прототипа в предложенном способе возможна функционализация широким спектром материалов, не ограниченным только металлами, что приводит к увеличению количества возможных областей применения данного класса наноструктур.Thus, compared with the prototype, the proposed method makes it possible to manufacture nanostructures based on porous silicon uniformly functionalized with the required functionalizing elements, using doped fullerenol, static or dynamic (for example, by centrifugation) exposure of immersed substrates in a solution of doped fullerenol, as well as the exposure process porous silicon substrates in a solution of monohydric alcohol (isopropanol, methanol, ethanol) to improve penetration into pores throughout the entire depth of the porous layer obtained on the silicon surface. At the same time, unlike the prototype in the proposed method, it is possible to functionalize with a wide range of materials, not limited only to metals, which leads to an increase in the number of possible applications for this class of nanostructures.
Предлагаемый способ позволяет повысить глубину проникновения функционализирующего элемента в слой пористого кремния и достичь равномерности покрытия функционализирующим элементом как по поверхности, так и по глубине пористого слоя.The proposed method makes it possible to increase the depth of penetration of the functionalizing element into the layer of porous silicon and to achieve uniformity of the coating by the functionalizing element both over the surface and in the depth of the porous layer.
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2796247C1 true RU2796247C1 (en) | 2023-05-18 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070108052A1 (en) * | 2005-08-25 | 2007-05-17 | University Of South Florida | Hydrogen Sensor |
RU2699310C1 (en) * | 2018-06-27 | 2019-09-04 | Андрей Львович Степанов | Method of producing sensitive to giant raman scattering substrates based on porous silicon, containing silver nanoparticles |
KR20200121708A (en) * | 2019-04-16 | 2020-10-26 | 한양대학교 산학협력단 | Lighting structure and fabricating method of the same |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070108052A1 (en) * | 2005-08-25 | 2007-05-17 | University Of South Florida | Hydrogen Sensor |
RU2699310C1 (en) * | 2018-06-27 | 2019-09-04 | Андрей Львович Степанов | Method of producing sensitive to giant raman scattering substrates based on porous silicon, containing silver nanoparticles |
KR20200121708A (en) * | 2019-04-16 | 2020-10-26 | 한양대학교 산학협력단 | Lighting structure and fabricating method of the same |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
СМЕРДОВ Р.С. и др., Заграждающий фильтр видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона для флуоресцентного микроскопа на основе явления плазмонного резонанса, Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2016, no. 3(247), с.с. 13-22. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Nishinaga et al. | Rapid fabrication of self-ordered porous alumina with 10-/sub-10-nm-scale nanostructures by selenic acid anodizing | |
Chen et al. | Two‐and Three‐Dimensional Ordered Structures of Hollow Silver Spheres Prepared by Colloidal Crystal Templating | |
Hao et al. | Facile design of ultra-thin anodic aluminum oxide membranes for the fabrication of plasmonic nanoarrays | |
CN106353296B (en) | Method for preparing high-uniformity surface-enhanced Raman active substrate | |
US10400322B2 (en) | Fabrication of thermally stable nanocavities and particle-in-cavity nanostructures | |
Kikuchi et al. | Ultra-high density single nanometer-scale anodic alumina nanofibers fabricated by pyrophosphoric acid anodizing | |
US10023971B2 (en) | Aluminum nanowire arrays and methods of preparation and use thereof | |
JP2001105400A (en) | Method of manufacturing fine holes, fine holes manufactured thereby and structural body having the same | |
Wang et al. | One-step formation of nanostructured gold layers via a galvanic exchange reaction for surface enhancement Raman scattering | |
KR20170066089A (en) | method for manufacturing of metal nanostructure and substrate for surface enhanced raman scattering including the metal nanostructure by manufacturing the same method | |
US9376538B2 (en) | Method for the production of polymeric membranes having an ordered arrangement of high-aspect-ratio nanopores, by means of heavy ion bombing | |
US6861006B2 (en) | Method for creating pores in a polymer material | |
Bandarenka et al. | Nanostructures formed by displacement of porous silicon with copper: from nanoparticles to porous membranes | |
Artsemyeva et al. | Fabrication of SERS-active substrates by electrochemical and electroless deposition of metals in macroporous silicon | |
Wang et al. | Electrodeposition of vertically standing Ag nanoplates and nanowires on transparent conductive electrode using porous anodic aluminum oxide template | |
CN105967139A (en) | Method for etching holes on silicon substrate, silicon substrate with holes and semiconductor device | |
Fu et al. | Ni/Au hybrid nanoparticle arrays as a highly efficient, cost-effective and stable SERS substrate | |
RU2796247C1 (en) | Method for obtaining a functionalized nanostructure based on porous silicon | |
Grigoras et al. | Coating of nanoporous membranes: atomic layer deposition versus sputtering | |
Lin et al. | Rapid fabrication of silver nanowires through photoreduction of silver nitrate from an anodic-aluminum-oxide template | |
US20140335617A1 (en) | Controlling surface wettability of ultrahigh surface area hierarchical supports | |
KR102561196B1 (en) | Method of manufacturing porous nanostructure, 3-dimensional electrode and sensor comprising porous nanostructure manufactured thereby and apparatus for manufacturing porous nanostructure | |
CN106350058B (en) | The preparation method of fluorescence enhancement substrate based on nano-porous gold | |
Larsen et al. | Continuously tuning the spectral response of chiral plasmonic patchy particles through galvanic replacement reaction | |
Kartopu et al. | Large-scale, reliable and robust SERS-active nanowire substrates prepared using porous alumina templates |