[发明专利]一种大面积小尺寸核壳结构硅纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硅纳米材料制备技术领域，特别涉及一种利用模板辅助银催化腐蚀法与氧化自饱和效应相结合进行大面积小尺寸核壳结构硅纳米线阵列制备的方法。

背景技术

由于硅材料储藏丰富、价格低廉，以及硅基器件制备技术成熟、性能稳定等特点，半导体硅集成电路已经在信息技术领域奠定了核心地位。半导体硅集成电路以电子作为信息载体，然而随着计算机向高速度、大容量的方向发展，电互联的瓶颈问题也逐渐凸显出来：一方面，电子的传输速度难以满足日益增长的信息处理需要；另一方面，电子回路互联的RC延迟也日趋明显，严重限制了电子器件的响应速率。因此，人们希望引入光子作为信息载体，通过在半导体硅上同时集成光路与电路来破解上述电互联的瓶颈。

Si是一种典型的间接带隙材料，带间跃迁需要声子的参与，因而辐射复合寿命较长，快复合的非辐射过程占据了主导地位，发光效率较低。随着研究的深入，科学工作者们逐渐认识到要想实现硅基发光这一目标，根本的途径还是要实现Si材料间接带隙向直接带隙的转变。理论计算的结果表明，当硅纳米结构的尺寸与硅的玻尔半径（4.3nm）相当时，由于量子限制效应的存在，硅材料表现出良好的直接带隙性能。

在实验中科学工作者们已经尝试了制备尺寸与硅的玻尔半径相当的多孔硅和硅纳米晶结构，但这两种结构分别存在导电性能较差和光散射作用过强的缺陷，限制了它们在硅基光互连上的应用。近年来，科学工作者们开始关注小尺寸硅纳米线材料在硅基光互联上的应用，其主要制备方法有两种：一种是采用气-液-固方法，但这种方法制备的硅纳米线结构缺陷较多，限制了其发光性能；另一种是采用电子束曝光技术与氧化自饱和效应相结合，但这种方法不仅所需设备昂贵，而且制备的硅纳米线阵列面积及长径比均受到限制，也难以进一步应用于硅基发光器件的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种大面积小尺寸核壳结构硅纳米线阵列的制备方法。

为了说明本发明的技术方案，本发明方法的实施包括以下步骤：

1、一种大面积小尺寸核壳结构硅纳米线阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅基底洗净并进行亲水处理；

（2）在上述预处理过的硅基底上制备单层密排PS（聚苯乙烯）小球阵列，制备方法如下：

a.将PS小球溶液与无水乙醇以体积比1：0.8-1.2混合，并将得到的混合溶液超声分散；

b.将玻璃片洗净并进行亲水处理，待晾干后置于表面皿中央，向表面皿中加入去离子水直至水面高于玻璃片表面但未浸没玻璃片；

c.将步骤（1）中得到的混合溶液，滴加至玻璃片上；

d.从表面皿边缘滴入1-2滴十二烷基硫酸钠（SDS）溶液，PS小球被推至一侧并密排；然后在具有十二烷基硫酸钠分子的一侧从液面下加入去离子水，使液面升高；然后将玻璃片拨至具有十二烷基硫酸钠分子一侧，将预处理后的硅基底覆于玻璃片上；将玻璃片及其上所覆的硅基底一同推至PS小球一侧液面下；

e.从十二烷基硫酸钠分子一侧插入液面以下吸水使液面下降至低于硅基底表面；待硅基底上的水分完全蒸发后取出，其上即排布有单层密排的PS小球阵列；

(3)通过反应离子刻蚀处理使硅基底上的PS小球直径减小，并不再密排；

(4)在硅基底上镀银，再将其置于酒精中超声去除PS小球，得到多孔银膜；

(5)将硅基底置于HF和H₂O₂的混合溶液中进行银催化腐蚀处理，再置于硝酸中去除残余的银，得到大尺寸的硅纳米线阵列；

(6）将步骤（5）中得到的硅纳米线阵列在1000-1100摄氏度下保温15-40分钟进行干法氧化，取出后置于HF水溶液中去除表面的氧化层，然后重复上述干法氧化-去除氧化层处理，进一步减小直径；

（7）将上述处理后的硅纳米线阵列在750-800摄氏度下保温10-12小时，由于氧化自饱和效应的存在，即得到内层为小尺寸单晶硅纳米线，外层为氧化硅层的核壳结构硅纳米线阵列。

步骤（2）的步骤a中所述PS小球的直径为250-350nm。

步骤（2）的步骤a中所述PS小球溶液的PS小球的质量分数为0.3%-0.5%。

步骤（2）的步骤d中所述十二烷基硫酸钠溶液的质量浓度为1%-3%。

步骤（6）中所述HF水溶液的质量浓度为1%-3%。

本发明的有益效果为：