[发明专利]硅纳米线上无电沉积镍技术及基于这种技术的热电功率器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电功率转换器件的研究，具体为一种基于硅纳米线上无电沉积镍技术的热电功率器件制作，属微纳热电功率转换技术领域。 

技术背景 

随着MEMS微纳米加工技术的不断发展，与集成电路工艺兼容的可集成片上微纳热电功率转换电源已经成为人们研究的热点。具有低成本、高能量密度、微型化、使用寿命长、安全性能好等优点的全新绿色能源是科研人员追求的目标，尤其是利用生物体与周围空间的温度梯度场以及其他热机废热或太阳能与环境温差来发电对人们来说一直是一种技术上的挑战。已有报道的热电功率材料因体积庞大，或者制作工艺复杂、或者材料昂贵等因素，难以大范围应用。虽然体硅材料不具备热电性质，但是直径约50nm的硅纳米线就可以使其热导率比体硅减小100倍，而且其比表面积相比体硅有十几个数量级的增大，所以基于硅纳米线和金属材料的复合纳米结构可能具有制作较高热电优值(ZT)热电功率器件的潜力。这里的ZT是热电效率的衡量标准，它是材料Seebeck系数S、电导率σ、热导率κ和绝对温度T的函数，即ZT=S2σTκ]]>。由于优化其中一个物理参数通常会对另一个参数起相反作用的影响，所以导致ZT的最大化受到了极大的挑战，在过去的50年里，人们才把参数ZT的值提高到1以上。 

发明内容

本发明的发明目的旨在提供一种硅纳米线上无电沉积镍技术以及基于这种技术的热电功率器件，以弥补在这一领域上的技术空白。 

本发明的目的可以通过一下技术方案来实现： 

一种硅纳米线上无电沉积镍技术，制备步骤为： 

1)基于MEMS工艺的电化学腐蚀硅纳米线阵列制作过程 

(a)P型硅(电阻率约0.05Ωcm)衬底，切割成1.5cm×1cm规格，按照标准RAC程序清 洗硅片； 

(b)在35mM AgNO₃和20％HF超生后的混合溶液中刻蚀，得到SiNWs(硅纳米线)阵列。 

其SiNWs的SEM图片如图1a、图1b和图1c所示，图中显示了所制得的硅纳米线结构整齐，孔隙率均匀，纳米线高度约100μm，直径约50-150nm，有较大长径比。 

2)深多孔硅采用电化学刻蚀 

(a)40％HF与无水乙醇体积比1∶0.8混合，-20℃下分别采用40、80mA/cm²电流密度每隔30s一个周期刻蚀2h； 

(b)刻好后的多孔硅在RTA系统中600℃下快速退火2分钟坚膜，然后利用电子束蒸发在多孔硅表面蒸镀金属铝薄膜作为热电功率器件的阳极。 

该多孔硅微观结构如图2a和图2b所示。其孔径约5μm，深250μm，有较高深宽比。有较好的热绝缘性能。 

3)硅纳米线无电镀镍沉积 

(a)首先将硅纳米线在浸润剂中预处理1min，然后放入无电镀液中在80℃水浴下反应30min。 

(b)将镀好镍的硅纳米线用80℃左右去离子水清洗，130℃下烘干，然后在RTA系统中350℃快速热退火30s，得到镍薄膜的硅纳米线阵列。 

所述的无电镀液的组成和配比：镍源为NiSO₄·6H₂O 0.1mol，缓冲剂为(NH₄)₂SO₄0.05mol，还原剂为NH₄F 0.25mol，钳合剂为柠檬酸钠Sodium citrate 0.02mol。称量好的药品放入烧杯中用100ml去离子水超声溶解30min。 

所述的无电镀液的PH值为8.5-9.5，通过滴入浓氨水(28％)调节。 

所述的浸润剂为十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)溶液，其浓度为10mg/L 

沉积好镍薄膜的硅纳米线阵列见图3a、图3b和图3c；可以看到硅纳米线表面被均匀地沉积了一薄层金属镍；纳米尺度的镍-P型硅接触为欧姆接触，该结构理论上有较高的热电子发射能力； 

硅纳米线无电镀镍之镍的分布情况见图4a、图4b和图4c，该EDS能谱图显示硅纳米线阵列金属镍薄膜的沉积量在中部上端、顶端、底部逐渐减小。