[发明专利]一种基于预氧化处理的硅纳米线阵列的制备方法

说明书

一种基于预氧化处理的硅纳米线阵列的制备方法，涉及微纳米材料。1)将硅片清洗；将步骤1)得到的预清洗硅片置入H₂O₂溶液反应，在预清洗硅片表面形成一层二氧化硅层，得到预氧化硅片；将步骤2)得到的预氧化硅片用改良的RCA方法清洗；将步骤3)得到的硅片浸入HF水溶液，去除硅片表面的二氧化硅层，采用金属辅助刻蚀法在硅片表面制备基于预氧化处理的硅纳米线阵列。完成每一步骤后最好用去离子水充分清洗硅片。所制备的基于预氧化处理的硅纳米线阵列中硅纳米线的长度可为0.500～8.000μm，反射率可为2.24％～1.50％。

技术领域

本发明涉及微纳米材料，尤其是涉及一种基于预氧化处理的硅纳米线阵列的制备方法。

背景技术

一维半导体纳米材料，如纳米线和纳米管的应用为微纳米电子器件和太阳能电池的发展提供了新思路，其中硅纳米线因原料广泛、制备工艺与传统工艺兼容及性能优异，是近年来最受关注的纳米材料之一。硅材料的纳米尺寸赋予了硅纳米线量子尺寸效应、库伦阻塞效应和非定域量子相干效应等一系列特殊效应，使得其出现了与体硅材料相异的光、磁、热、电性质，从而在太阳能电池、场发射纳米电子器件、锂离子电池和光致发光领域表现出巨大的应用潜力。

一直以来，硅纳米线阵列的可控制备技术和工业化生产是硅纳米线研究的重点和目标。传统的硅纳米线阵列的制备主要分为两类，即“自上而下”法和“自下而上”法。前者主要包括反应离子刻蚀法、电子束曝光法；后者主要包括气-液-固(VLS)生长法、激光烧蚀法和热蒸发法等。但在传统制备方法中，“自上而下”的制备方法一般需要昂贵的设备和复杂的工艺过程；“自下而上”的制备方法通常是以化学气相沉积为基础，所需设备也较为昂贵且一般需要高温高压反应环境，两者均不利于硅纳米线阵列的低成本大规模生产。对此，朱静课题组([1]Fang H,Wu Y,Zhao J H,et al.Silver catalysis in the fabrication ofsilicon nanowire arrays[J].Nanotechnology,2006,17(15):3768-74；[2]Peng K Q,Fang H,Hu J J,et al.Metal-particle-induced,highly localized site-specificetching of Si and formation of single-crystalline Si nanowires in aqueousfluoride solution[J].Chemistry-a European Journal,2006,12(30):7942-47)发展出金属辅助化学刻蚀法(MACE)制备硅纳米线阵列。该法具有工艺简单、反应均在常温常压下进行、产品参数可控等优点，有望实现硅纳米线阵列的低成本大规模工业化生产。

简单金属辅助化学刻蚀法虽然可在一定程度上控制硅纳米线的掺杂类型、浓度以及生长方向，但对所生长的硅纳米线的位置分布、密度和直径的控制程度较弱。这在一定程度上限制了该法的应用，例如在太阳能电池领域，硅纳米线分布不均匀将会弱化阵列的减反射性能，进而降低光伏器件的效率。对此，科研工作者利用MACE法结合纳米球光刻法、氧化铝模板法等技术成功制备出高度有序的、均匀的硅纳米线阵列。但这些技术的引入大大增加了MACE法的操作复杂度，提高了硅纳米线阵列的制备成本。所以寻找一种较为简单的辅助技术以提高MACE法制备的硅纳米线阵列均匀性，成为目前发展MACE技术的当务之急。

MACE法中对产品均匀性影响最大的步骤是贵金属离子沉积层的均匀性，金属离子的沉积位置直接决定了硅纳米线的位置分布和直径。为此，以往大多数研究都集中在改变沉积和刻蚀条件上，比如调整反应溶液的配比和改变刻蚀温度和时间等，但所得到产品均匀性未见大幅增加。研究表明，金属离子沉积位置与硅片表面的粗糙度和悬挂键分布有关，而传统的硅片清洗方法，即标准RCA方法会增加硅片表面的粗糙度和缺陷浓度，从而降低硅纳米线阵列的均匀性。

发明内容