[发明专利]一种硅微纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅微纳米结构的制备方法，属于新材料技术与纳米材料领域。

背景技术

硅微纳米结构材料具有硅材料优异的半导体物理及化学性能，又具有纳米材料独特的光、电、热等性能，在微纳米光电子、能量转换与存储、传感等领域具有广泛的应用前景。自下而上生长和自上而下加工是构筑硅纳米结构的两种途径。最早的构筑硅纳米结构方法可追溯到1964年R.S.Wagner提出的Vapor-Liquid-Solid(VLS)生长机制，在VLS机制基础上，研究人员相继发展了化学气相沉积和激光烧蚀等方法。电子束和反应离子束刻蚀是常见的自上而下硅纳米结构制备方法。然而这些方法由于生长机制的限制，需要较高的温度和复杂的设备，造成高昂的生产成本。如专利200610117576.1中在卧式石英管式炉中制备硅纳米线，要求反应在温度1050-1250℃下，保持腔内压强4500Pa[参见：中国专利200610117576.1，公开号1944250，公开日期2007.04.11]。近年来提出的一种金属催化刻蚀技术可以在硅衬底表面刻蚀制备出大面积单一轴向排布的单晶硅纳米线阵列[参见：中国专利CN1382626；中国专利ZL200810183135.0；中国专利申请号2005100117533]。上述方法采用化学镀或物理沉积技术，在硅表面沉积一层银或金纳米颗粒薄膜，然后将处理过的硅衬底浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液中，在室温附近处理20分钟左右即可以制备出高长径比的硅纳米线阵列。这种技术不需要高温和复杂设备，但需要金、银等贵金属作为促进硅腐蚀的催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新颖的硅微纳米结构的制备方法。本方法利用碳与硅在氢氟酸溶液中构成腐蚀原电池，将表面沉积有石墨粉或碳纳米颗粒等碳材料的硅样品浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液或蒸汽中进行腐蚀处理，可以实现多种形貌硅微纳米结构的制备。本制备方法简单，不需要复杂设备和贵金属催化剂就能制备出多种形貌硅微纳米结构，适宜于规模化工业生产。本发明所制备的硅微纳米结构在光伏电池、光催化、锂离子电池和传感等领域具有广泛的应用前景。

本发明提出的一种硅微纳米结构的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：

1、一种硅微纳米结构的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：

(1)通过旋涂技术将石墨粉或碳纳米颗粒或碳纳米纤维分布在硅衬底表面；

(2)利用真空沉积技术在硅衬底表面沉积均匀分布的碳膜，然后在真空保护气氛下退火；

(3)利用化学气相生长方法在硅衬底表面生长碳纳米管；

(4)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底浸入氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中，在20-50摄氏度处理2-180分钟即可得到硅微纳米结构；

(5)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底浸入氢氟酸和硝酸或用硝酸盐替换硝酸的混合水溶液中，在20-50摄氏度处理2-180分钟即可得到硅微纳米结构；

(6)将步骤(1)或(2)或(3)得到的硅衬底放置在石墨板或金板、银板、铂板上并使二者密切接触，随后一起浸入含有溶解氧的氢氟酸溶液中，在20-50摄氏度条件下腐蚀5-360分钟即可得到硅微纳米结构；

(7)将步骤((1)或(2)或(3)得到的硅衬底放置在聚四氟乙烯板或石墨板、金板、银板、铂板上，随后一起放入含有氧气的氢氟酸蒸汽中，在20-50摄氏度条件下腐蚀5-360分钟即可得到硅微纳米结构。

在上述一种硅微纳米结构的制备方法中，所述步骤(4)和(5)中的氢氟酸浓度范围为0.5-20mol/L，过氧化氢浓度范围为0.02-3mol/L，硝酸浓度范围为0.05-5mol/L，硝酸盐浓度范围为0.05-5mol/L。在本发明中所选择的硅衬底是硅片或硅粉。本技术方法简单，可以成功制备各种形貌的硅微纳米结构，如多孔硅等。

附图说明

图1为本发明制备的硅微纳米结构的扫描电子显微镜形貌像。

具体实施方式

本方法将表面沉积有微纳米碳材料的硅样品浸入含有氧化剂的氢氟酸溶液或蒸汽中进行腐蚀处理，可以实现多种形貌硅微纳米结构的制备。这种方法制备的硅微纳米结构在光伏电池、锂离子电池等领域具有广泛的应用前景。

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

通过旋涂技术，将石墨粉均匀分布在清洁硅片表面，随后立即将硅片浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合水溶液中的容器中，25摄氏度处理60分钟即可得到硅微纳米结构。

实施例2