[发明专利]一种多用途硅微纳米结构制备技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种多用途有序硅微纳米结构制备技术，属于新材料技术与纳米材料领域。

背景技术

半导体微纳米结构材料由于其奇特的结构与物理性能，在纳米光电子学和新型太阳能电池器件等应用中具有广阔的应用前景。由于硅材料在传统微电子行业的重要地位，一维硅纳米线的研究受到了极大的关注。目前的纳米硅线制备方法主要有化学气相沉积和氧化物辅助生长技术等。这些方法由于生长机制的限制，通常需要相当高的温度和一些复杂的设备，从而造成较高的生产成本。如专利00117242.5中的硅线生长温度高达1600-2000℃[参见：中国专利00117242.5，公开号1277152，公开日期2000.12.20]。最近提出的一种化学腐蚀技术，可以很方便地在室温制备出大面积的硅纳米线阵列[参见：中国专利CN1382626；中国专利申请号2005100117533]，这种技术不需要高温和复杂设备。虽然这种技术可以应用于不同参杂类型、浓度以及取向的硅基底，可以对纳米线的长度和晶体学取向进行控制，但该方法难以获得直径均一排布有序的硅纳米线。我们课题组最近采用聚苯乙烯纳米球和二氧化硅纳米球模板技术制备了直径均一排布有序的硅纳米线[Kuiqing Peng，Mingliang Zhang，Aijiang Lu，NingBew Wong，Ruiqin Zhang，Shuit-Tong Lee.Ordered Si nanowire arrays via NanosphereLithography and Metal-induced etching.Applied Physics Letters 2007，90，163123]，但是利用聚苯乙烯纳米球技术制备硅纳米线需要采用反应离子刻蚀(RIE)，因而造成硅纳米结构制备效率严重降低和成本大幅度提高。同时，这两种技术都难实现大面积硅微纳米结构的制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面积有序排布的硅微纳米结构阵列的制备方法，硅微纳米线的面积大小有所使用的硅衬底面积决定，因而可以实现4英寸甚至更大面积硅微纳米结构阵列的制备。

本发明将金属催化硅腐蚀技术与光刻技术相结合，研制出了一种大面积高度有序硅微纳米结构阵列的制备方法；这种大面积有序硅微纳米结构在太阳能电池、锂电池负极材料以及传感器结构上具有广泛的应用前景。本发明提出的一种多用途硅微纳米结构阵列的制备技术，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：

(1)利用光刻技术将光刻掩模板上的具有微纳米结构的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的清洁硅片表面。将曝光后的片子放入显影液中溶解掉不需要的光刻胶，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形。

(2)利用真空热蒸发技术在步骤(1)处理后的硅片表面沉积一层银(或金)膜。随后将得到的硅片浸泡在剥离溶液中，将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其上面的银膜或者金膜去除。

(3)将步骤(3)得到的硅片浸入含有HF+H₂O₂+H₂O(也可以利用Fe(NO₃)₃等氧化性物质替换腐蚀液中的H₂O₂)腐蚀溶液的密闭容器中，25-50摄氏度处理4-150分钟。将样品在浓硝酸溶液里面浸泡至少一个小时去掉硅微纳米结构样品表面残留的银。

(4)利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤(3)得到的n型硅微纳米结构表面沉积非连续分布的铂或者金纳米颗粒薄膜。涂覆有铂或者金纳米颗粒薄膜的n型硅微纳米结构可以作为高效光电化学太阳能电池的光电极使用。

(5)步骤(3)得到的有序硅微纳米结构材料可以作为高性能锂电池负极材料使用。

(6)步骤(3)得到的有序硅微纳米结构材料可以作为高灵敏气敏材料使用。

(7)利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤(3)得到的硅微纳米结构表面沉积银或者金等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜。涂覆有银等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜的硅微纳米结构可以作为活性表面增强拉曼光谱术衬底使用。

(8)通过在步骤(3)得到的p型(或n型)有序硅微纳米结构材料表面进行磷(或硼)扩散形成pn结，在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米线太阳能电池。

(9)通过在步骤(3)得到的p型(或n型)有序硅微纳米结构材料表面沉积n型(或p型)半导体材料如非晶硅等形成pn结，在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米线太阳能电池。