專利名稱：一種有序硅納米線陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅納米線的制備方法，尤其是涉及大面積排列有序、直徑和長度均一可控的垂直硅納米線陣列的制備方法，屬于納米材料制備與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅納米線以其優(yōu)異的性質(zhì)和良好的工藝兼容性引起人們的廣泛關(guān)注，在先進(jìn)電子器件、生物與化學(xué)傳感器、光電子器件，以及光伏器件等方面有著巨大的應(yīng)力前景。而硅納米線的可控制備是其走向應(yīng)用的前提條件。各種自上而下和自下而上的技術(shù)，如固-液-氣(VLS)生長、電化學(xué)刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕及金屬輔助化學(xué)刻蝕等方法都對納米線的相關(guān)參數(shù)有一定的控制能力。其中，VLS生長需要預(yù)先沉積催化劑顆粒，對催化劑顆粒的尺寸、分布的控制非常困難。電化學(xué)刻蝕僅適用于n型硅，且得到的納米線的尺寸較大。反應(yīng)離子刻蝕需要結(jié)合光刻形成掩模，成本高且效率較低。常規(guī)的金屬輔助化學(xué)刻蝕方法可以對納米線的摻雜類型與摻雜水平、晶體學(xué)取向、納米線的長度等實(shí)現(xiàn)有效的控制，且制備方法簡單，成本低。但是要實(shí)現(xiàn)對納米線的直徑、位置、面密度等的有效控制，獲得直徑與長度均一的有序硅納米線陣列就必須結(jié)合模板的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明結(jié)合多孔氧化鋁模板與金屬輔助化學(xué)刻蝕，提出一種有序硅納米線的制備方法。制備的工藝簡單， 成本低廉，制備的硅納米線長度均一，直徑與面密度可控，沿長度方向直徑一致，排列有序，如附圖2所示。本發(fā)明以陽極氧化鋁作為模板，所述方法步驟如圖1所示；(I)硅片清洗，去除表面玷污；(2)在清洗干凈的硅片表面沉積一層氧化硅SiO2 ；(3)在SiO2表面沉積一層Al膜；(4)對Al膜進(jìn)行陽極化，形成多孔氧化鋁AA0，并對AAO進(jìn)行擴(kuò)孔；(5)以AAO為掩模，利用等離子體刻蝕在硅表面復(fù)制AAO的孔陣結(jié)構(gòu)；(6)去除硅表面的AAO及SiO2層；(7)在圖形化的硅表面沉積Au膜；(8)將沉積好Au膜的樣品浸入HF+H202的水溶液中腐蝕；(9)對制備好的樣品進(jìn)行清洗、干燥處理。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟4陽極電壓為40-80V，溶液為質(zhì)量百分比濃度為5-20%的磷酸(或草酸)，陽極化時(shí)間3-10分鐘，擴(kuò)孔溶液為5%磷酸，擴(kuò)孔時(shí)間為20-60分鐘，溫度為10-25度。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟5利用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，氣體為C12/BC13，刻蝕時(shí)間為4-10分鐘。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟6采用25%磷酸在溫度為50-70度下去除氧化招t旲板，并米用2% _10% HF酸去除SiO2層。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟7沉積方法為熱蒸發(fā)、磁控濺射或離子派射。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟8中腐蝕液為2-6M HF加0.1-0.4MH2O2溶液。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟9采用稀釋的王水去除殘留的金，采用超臨界干燥，或冷凍干燥、自然干燥方法處理樣品。金屬輔助化學(xué)刻蝕制備硅納米線方法簡單，成本低?？梢詫{米線的摻雜類型與摻雜水平、晶體學(xué)取向、納米線的長度等實(shí)現(xiàn)有效的控制。通過控制陽極化條件控制氧化鋁模板中孔的直徑、間距及孔密度可以進(jìn)一步控制硅納米線的直徑、位置及面密度等。本發(fā)明所述方法可以制備出大面積有序的垂直排列的硅納米線陣列，能夠有效控制納米線的取向、摻雜類型及水平、直徑、長度、間距、面密度等，并且成本低廉，可以用于基于硅納米線陣列的器件中。


附圖1為本發(fā)明所述方法的步驟示意圖；附圖2為采用本發(fā)明所述方法制備的大面積有序硅納米線陣列的掃描電鏡照片，插圖為剖面電鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖1詳細(xì)說明本發(fā)明所述方法的具體步驟。(I)選取合適的硅襯底1，分別用丙酮、乙醇對硅片進(jìn)行超聲處理，去除表面玷污和有機(jī)物。進(jìn)一步采用濃硫酸加雙氧水溶液清洗硅片，去離子水沖洗后用稀氫氟酸溶液去除表面氧化物，再用去離子水反復(fù)沖洗。(2)采用等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備在清洗干凈的硅表面沉積一層厚度為20-80nm的氧化硅2。(3)采用熱蒸鍍或電子束蒸發(fā)方法在氧化硅表面沉積厚度為200_500nm鋁膜3，腔體本底真空為2 8X 10_4Pa，初始的沉積速度約為0.lnm/s。(4)采用直流電源對鋁膜進(jìn)行陽極化，獲得多孔氧化鋁模板4。陽極電壓為40-80V，溶液為質(zhì)量百分比濃度為5-20%的磷酸(或草酸)，陽極化時(shí)間3-10分鐘，擴(kuò)孔溶液為5%磷酸，擴(kuò)孔時(shí)間為20-60分鐘，溫度為10-25度。(5)利用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，對多孔氧化鋁模板進(jìn)行通孔，去除底部的阻擋層5，并對硅片進(jìn)行圖形化處理，刻蝕氣體為C12/BC13，ICP/RF功率為300/100W，腔體氣壓為50-100mTorr，刻蝕時(shí)間為4_10分鐘。(6)采用25%磷酸在溫度為50-70度下去除氧化鋁模板，并采用2% -10% HF酸去除SiO2層。(7)采用熱蒸發(fā)、磁控濺射或離子濺射在圖形化的硅表面沉積厚度為20_50nm的金膜或銀膜6。(8)將沉積好金膜(或銀膜)的樣品浸入2-6M HF加0.1-0.4M H2O2溶液中腐蝕，腐蝕時(shí)間為5-80分鐘。
(9)采用稀釋的王水去除納米線間的金膜(或采用硝酸溶液去除銀)，用去離子水反復(fù)沖洗樣品，最后采用超臨界干燥(或冷凍干燥、自然干燥)處理樣品，獲得硅納米線陣列7。
權(quán)利要求
1.一種有序硅納米線的制備方法，其特征在于:該方法結(jié)合陽極氧化鋁模板與金屬輔助化學(xué)刻蝕，所述方法按如下步驟進(jìn)行: (1)硅片依次經(jīng)丙酮、乙醇超聲及酸性清洗液清洗，并以稀氫氟酸溶液去除表面氧化層； (2)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)沉積方法在清洗干凈的硅片表面沉積一層20-80nm的SiO2 ； (3)采用熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)在SiO2表面沉積一層厚度為200-500nm的Al膜； (4)對Al膜進(jìn)行陽極化，形成多孔氧化鋁AA0，并對AAO進(jìn)行擴(kuò)孔； (5)以AAO為掩模，利用等離子體刻蝕在硅表面復(fù)制AAO的孔陣結(jié)構(gòu)； (6)去除硅表面的AAO及SiO2層； (7)在圖形化的硅表面沉積20-50nm厚的Au(或Ag)膜； (8)將沉積好Au膜的樣品浸入HF+H202的水溶液中腐蝕5-80分鐘。
(9)對制備好的樣品進(jìn)行清洗、干燥處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線的制備方法，其特征在于:所述步驟4陽極電壓為40-80V，溶液為質(zhì)量百分比濃度為5-20%的磷酸(或草酸)，陽極化時(shí)間3-10分鐘，擴(kuò)孔溶液為5%磷酸，擴(kuò)孔時(shí)間為20-60分鐘，溫度為10-25度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線的制備方法，其特征在于:所述步驟5利用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，氣體為C12/BC13，刻蝕時(shí)間為4-10分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線的制備方法，其特征在于:所述步驟6采用25%磷酸在溫度為50-70度下去除氧化鋁模板，并采用2% — 10% HF酸去除SiO2層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線的制備方法，其特征在于:所述步驟7沉積方法為熱蒸發(fā)、磁控濺射或離子濺射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線的制備方法，其特征在于:所述步驟8中腐蝕液為2-6M HF 加 0.1-0.4M H2O2 溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線的制備方法，其特征在于:所述步驟9采用稀釋的王水去除殘留的金，采用超臨界干燥，或冷凍干燥、自然干燥方法處理樣品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有序硅納米線的制備方法，結(jié)合多孔氧化鋁模板和金屬輔助化學(xué)腐蝕獲得有序的硅納米線陣列。所述方法在清潔的硅片表面依次沉積SiO2和Al膜；然后對鋁膜進(jìn)行陽極化，形成多孔氧化鋁AAO；以AAO作為掩模，利用等離子體刻蝕在硅表面復(fù)制AAO的孔陣圖形；隨后去除AAO及SiO2層，在圖形化的硅表面沉積金膜，得到網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的金層；將覆蓋有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)金膜的樣品浸入HF酸與H2O2腐蝕液中腐蝕，得到硅納米線陣列。本制備方法簡單，可以制備出大面積有序的垂直排列的硅納米線陣列，能夠?qū){米線的取向、摻雜類型及水平、直徑、長度、間距、面密度等實(shí)現(xiàn)有效控制，并且成本低廉，可以用于基于硅納米線陣列的器件中。
文檔編號(hào)B82B3/00GK103112819SQ201310022489
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者左則文 申請人:安徽師范大學(xué)