[发明专利]二氧化硅纳米锥阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅纳米锥阵列的制备方法，特别是涉及直接在基底上构 筑大面积、间距可控、周期可控、排列有序的二氧化硅纳米锥阵列的制备方法。

背景技术

石英是广泛应用的窗口材料，但是由于表面的光的反射作用使得一部分光被损 耗掉，从而影响了光的透过率，降低光学元件的性能。通常的方法是在光学元件的 表面构筑减反射、增透涂层，提高光的透过率，提高元件的性能。这种减反射涂层 可以提高太阳能电池的效率；可以消除“鬼影”的现象，因而具有广泛的应用前景。 目前工业上制备减反射、增透膜的方法为真空镀膜的方法。这种方法得到的增透膜 可以实现较窄的波段范围的增透，但是其他波段的增透效果不是很好，而且减反射 的性能会随着光的入射角度的变大而降低。除此之外，这种方法得到的减反射、增 透膜由于膜层材料和基底材料是异质的，存在黏附问题，同时存在热失配作用，使 得这种增透膜不能在较宽的温度范围内使用。近些年来，基于“蛾眼效应”的仿生思 想，构筑类似蛾眼角膜结构、研究结构的减反射性质引起了广泛的关注。蛾眼角膜 表面具有亚微米级(周期大概为200纳米)的乳突状结构阵列，每个乳突都具有锥 状的轮廓，可以实现膜层有效折射率的梯度变化，从而减少光在其角膜表面的反射， 增加光的透过，所以蛾眼看起来异常的黑。

制备二氧化硅纳米锥阵列的方法报道较少，现有的制备方法主要为刻蚀方法。 电子束(E-Beam)刻蚀、聚焦离子束(FIB)刻蚀可以精确的控制纳米锥阵列的周 期、底径等参数，但是所使用的仪器昂贵成本高，而且E-Beam刻蚀和FIB刻蚀的 效率十分低，难以实现大面积的构筑。反应性离子刻蚀(RIE)成本相对低廉，易 于实现大面积的构筑。利用自组装单层胶体晶体为掩膜，利用反应性离子刻蚀可以 高效、省时的制备大面积的二氧化硅纳米锥阵列。二氧化硅纳米锥阵列的一个重要 应用是用于构筑减反射涂层。减少光在表面的反射、增加光的透过，在实际应用中 具有重要的作用，如利用具有减反射涂层的基板构筑的太阳能电池，其效率高于传 统的薄膜太阳能电池。与此同时，由于基片表面具有纳米锥阵列结构，使得基片表 面的粗糙度被显著提高。这样就使得二氧化硅表面从亲水变为了超亲水；超亲水表 面可以作为防雾表面使用。另外，将得到的二氧化硅纳米锥阵列用氟化试剂处理一 段时间就可以得到疏水的表面，通过控制纳米锥阵列的周期和间距可以实现超疏水 表面的构筑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面积、周期可控的有序排列的二氧化硅纳米锥阵 列的制备方法，同时这种纳米锥阵列具有高性能的减反、增透能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：以单层的聚苯乙烯胶体晶体为掩 膜利用反应性离子刻蚀(RIE)得到二氧化硅纳米锥阵列，然后用氯仿除去剩余的 聚苯乙烯微球。

本方法工艺简单，成本低，特别是制备的纳米锥阵列底径长度均一(底径：200 到2μm，长度：200nm到2.0μm)、排列有序，甚至可以与电子束刻蚀、聚焦离 子束刻蚀等昂贵工艺制备出的纳米锥阵列相媲美。

本发明所述的方法包括三个步骤：

1.石英片基底的清洗及表面亲水化处理：石英片依次经过丙酮超声清洗10～15 分钟、无水乙醇超声清洗10～15分钟、烘干、酸性处理液(质量浓度为98％的浓 硫酸与质量浓度为30％的过氧化氢的混合溶液，两种溶液的用量体积比例是7∶3) 煮沸处理20～30分钟，再经去离子水漂洗后在氮气或空气气氛下干燥，得到表面清 洁及亲水化处理的石英片基底；石英片基底可以是结晶石英片，也可以是烧结的石 英片(熔融石英)，也可以是表面带有二氧化硅膜层的单晶、多晶、非晶硅片。石英 片可以是平面的石英片，也可以是曲面的石英片。