[发明专利]核壳Si/Fe2O3纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体纳米材料制备领域，尤其涉及一种核壳Si/Fe₂O₃纳米线阵列的制备方法。 

背景技术

Si具有太能光谱吸收范围广、电学性质易调、价格低廉等优点，在光伏、微电子、光催化等领域具有广泛的应用。一维Si纳米结构由于其比表面积大、减反射性能好、光生载流子收集能力好等优点，在光伏电池、光电化学池等太阳能转化领域表现出优异的性能（Nature materials，2011，10，539.）。用于光催化领域，Si的最大的局限在于其在溶液中的光腐蚀，即Si表面很容易形成一层氧化层，进而阻止Si与溶液间的电荷传输。尤其是当Si材料被用作光阳极进行光催化分解水时，由于一般需要施加额外的正电压，使得Si表面更容易形成氧化层。在以往的科学研究中，一些材料诸如，Pt、Au、TiO₂以及一些有机基团等被修饰到Si表面，使Si和溶液隔离，从而避免其光腐蚀（Angew.Chem.，2011，50，9861.）。这些途径往往涉及到昂贵的材料，或者溅射、原子层沉积等昂贵的仪器和复杂的化学修饰手段。如何采用廉价的材料，并通过经济的手段保护住Si，使其可用于能够长时间运行的光电化学太阳能转化器件，是一个亟待解决的问题。 

Fe₂O₃也是一种廉价，对环境无污染，并且在可见光波段具有很高活性的催化剂材料（Nano Lett.，2011,11,3503.）。同时，Fe₂O₃在很宽的溶液pH范围内，从弱酸到强碱，都具有很高的稳定性，可以作为廉价的半导体材料来保护Si。其次，Si和Fe₂O₃所形成异质结可能会有助于光生载流子的分离和收集（Nano Lett.，2009，9，410.）。鉴于以上考虑，核壳结构的Si/Fe₂O₃纳米线阵列，将可能具有很好的光催化分解水性能。在此结构中，纳米线阵列结构可以起到很好的减反射作用；核区的Si可以吸收太阳光，并可以为光生电子的收集提供高速通道；包覆在Si核外面的Fe₂O₃壳层可以使得Si和溶液相隔离，并且可以吸收一部分太阳光，用于光催化分解水。 

发明内容

本发明的目的是提供一种核壳Si/Fe₂O₃纳米线阵列的制备方法。 

本发明首先通过化学刻蚀法在单晶Si片上得到Si纳米线阵列，然后再通过浸泡含有Fe(NO)₃的乙醇溶液，使得Si纳米线的表面吸附上Fe(NO)₃，最后在高温炉中加热吸附有Fe(NO)₃的Si纳米线阵列，使得Fe(NO)₃热分解为Fe₂O₃，从而得到以Si为核，以Fe₂O₃为壳的核壳Si/Fe₂O₃纳米线阵列。 

本发明的核壳Si/Fe₂O₃纳米线阵列的制备方法包括以下步骤： 

（1）Si纳米线阵列的制备：可参照文献Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,2737–2742进行制备；将表面清洗洁净的单晶硅片置于硝酸银浓度为5mM，氢氟酸的浓度为4.6M的混合水溶液中进行浸泡（优选进行浸泡的时间为10分钟）；然后将单晶硅片取出并置于双氧水浓度为0.2M，氢氟酸浓度为4.6M，温度为50℃的混合水溶液中进行刻蚀（一般刻蚀的时间为5～30分钟），在单晶硅片上得到取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列； 

（2）Si纳米线的表面吸附Fe(NO)₃：将步骤（1）制备得到的带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片先在质量浓度为5%的氢氟酸水溶液中进行浸泡，除去Si纳米线表面的氧化层；然后再将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe(NO)₃的乙醇溶液中（一般放置的时间为1～5分钟），使Si纳米线的表面吸附上Fe(NO)₃；