[发明专利]一种金属辅助硅纳米线阵列大面积分层刻蚀和转移方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种金属辅助硅纳米线阵列大面积分层刻蚀和转移方法，利用金属催化无电镀化学法刻蚀硅纳米线阵列技术，采用空气中直接加热的方法对金属催化剂进行处理，使硅纳米线阵列在二次刻蚀反应中经刻蚀产生一个整齐的断层，并利用该断层转移硅纳米线阵列的方法。

背景技术

硅纳米线（silicon nanowires，SiNWs）作为一维硅纳米材料的典型代表，除具有传统半导体材料所具有的特殊性质，还显示出不同于体硅材料的场发射、热导率、可见光致发光以及催化等物理性质和化学性质，在纳米电子器件、光电子器件以及新能源等方面具有巨大的应用潜在。通过利用硅纳米线阵列优良的光吸收（陷光效应），以及径向p-n结带来的高效载流子分离与输运能力，硅纳米线阵列在新一代光伏器件中显示重要的应用前景。

2006年彭奎庆等人发明了金属催化无电镀化学法刻蚀硅纳米的方法，此方法是在硅基底上直接生长，不需要外部硅源，硅纳米线阵列由刻蚀液直接刻蚀硅基底形成。这种方法适用于硅纳米线阵列的大面积合成，不仅成本低廉、方法简单、易于控制，而且重复性较好。

在应用方面，由于硅纳米线阵列优异的吸光能力，很薄硅纳米线阵列（约10微米）的吸光能力与传统数百微米单晶硅基底相当，这意味硅纳米线阵列光伏器件的厚度可以大大缩减。但是目前通常的做法是将硅纳米线阵列在单晶硅基底上刻蚀后，直接应用于光伏器件的制备，阵列底部的单晶硅基底事实上并不发挥作用，仅起阵列支撑作用，这样造成硅基底的很大浪费。为进一步减少合成硅纳米线阵列的成本，急需发展相应技术，使得硅纳米线阵列可以实现大面积刻蚀与转移。金属辅助刻蚀大面积分层的硅纳米线阵列经转移后剩下的单晶硅基底可以经抛光后再次利用，从而实现硅基底的充分利用。而且通过将硅纳米线纳阵列转移至柔性基底，还有助于实现柔性光伏器件的应用。 2010年Jeffrey M. Weisse等人采用75℃热水浸泡处理的方法使催化剂分层^【1】，通过再次刻蚀使硅纳米线分层。但是采用的催化剂处理方法较复杂，硅线直径很大，溶液浸泡处理过程中硅线很容易脱落，不利于硅纳米线阵列的转移。参考文献:【1】J. M. Weisse, D. R. Kim, C. H. Lee, and X. L. Zheng, Nano Lett., 11, 1300-1305 (2011)。

发明内容

为了使金属辅助刻蚀制备硅纳米线阵列的本体硅得到充分利用，并将硅纳米线阵列用于制作柔性硅纳米器件，本发明提供了一种金属辅助硅纳米线阵列大面积分层刻蚀和转移方法，利用金属催化无电镀化学法，在一次刻蚀制备硅纳米线阵列的基础上，将硅纳米线阵列在空气中退火处理，使金属催化剂颗粒熔化并部分黏附在阵列侧壁，在二次刻蚀中发生横向刻蚀，从而在硅纳米线阵列中产生一个横向断层。接着利用一定的手段对其剥离，剥离后的硅纳米线阵列用作制备柔性硅纳米器件。 

样处理厂的告知系统  样处理厂的告知系统为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种金属辅助硅纳米线阵列大面积分层刻蚀和转移方法：利用Ag纳米颗粒的熔点较低的特点，对湿法刻蚀制备硅纳米线阵列使用的纳米级Ag 催化剂在空气中加热处理，使Ag纳米催化剂颗粒熔化分离，使部分Ag纳米颗粒黏附在硅纳米线阵列的侧壁，在再次刻蚀反应中，黏附的Ag纳米颗粒会发生横向刻蚀，从而使得硅纳米线阵列经二次刻蚀产生一个横向的整齐断层，其具体操作过程为： 

步骤1）取任意晶向和掺杂浓度的抛光单晶硅片，将其切成面积约为1cm×1cm小块后，在室温下依次经过丙酮超声清洗l0min、酒精超声清洗l0min、体积比为V(H₂ O₂)：V(H₂SO₄)=1：3清洗液超声l0min将硅片清洗，去离子水洗净后利用氮气吹干备用；

步骤2）将清洗后的硅片浸入HF、AgN0₃浓度分别为4.6mol/L、0.02mol/L的混合溶液中，使硅片表面均匀的镀上一层纳米Ag颗粒，用去离子水清洗硅基底；

步骤3）镀Ag处理后的硅片置于HF、H₂O₂溶度分别为4.6mol/L、0.4mol/L的刻蚀液中进行第一次刻蚀；

步骤4）硅基底一次刻蚀后洗净吹干后，将带有一层硅纳米线阵列的硅片在空气中150℃恒温加热1h；