專利名稱：一種基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料、熱電材料領(lǐng)域，具體地說是一種基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組熱電材料的制備方法。
背景技術(shù)：
硅納米線可作為優(yōu)良的熱電材料，其最大的優(yōu)勢在于小尺寸效應(yīng)。在室溫環(huán)境下， 半導(dǎo)體電子和聲子的平均自由程相差很大，在高摻雜半導(dǎo)體中，電子平均自由程為110 nm, 而聲子能達(dá)到300 nm，因此只要硅納米線直徑小于300 nm，熱導(dǎo)率k將會大幅降低，而賽貝克系數(shù)S和電導(dǎo)率P不會受到明顯影響，根據(jù)公式ZT = S2T/K P，硅納米線的優(yōu)值將比體硅高百倍以上。一般認(rèn)為具有氧化層的核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線，在核/殼界面存在大量缺陷，這些缺陷會破壞硅納米線在納米器件中的應(yīng)用，限制了電子的傳輸并且不能保證硅納米線有效地歐姆接觸，要求硅納米線在應(yīng)用前期必須經(jīng)過減小缺陷、分散以及表面氧化層及金屬離子處理，才能保證其使用效果。但實(shí)驗(yàn)證明，硅納米線作為熱電材料，保留表面自然氧化層，構(gòu)成核/殼結(jié)構(gòu)，能大幅提高材料熱電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的制備方法，以解決現(xiàn)有納米熱電材料制備條件苛刻，成本高的問題，提供一種對環(huán)境要求低，方法簡單，低成本，高重復(fù)性，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的新方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是
一種基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的制備方法，該方法包括以下具體步
驟
(I)標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗步驟清洗硅片(p-Si，雙面拋光，〈100〉晶向，電阻率為
0.1-10 Q Cm)，氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟為
a)DHF溶液室溫下清洗10分鐘，DHF溶液為濃度為5%的稀釋HF水溶液；
b)大量去離子水室溫下反復(fù)沖洗；
c)SPM 溶液 120°C清洗 10 分鐘,SPM 溶液為 Piranha (Sulfuric Peroxide Mixture, SPM)，具體溶液配置為H2SO4 = H2O2的體積比為
Vh202 Vh2S04 _ 3 : I ;
d)大量去離子水室溫下反復(fù)沖洗；
e)APM 溶液 6(TC清洗 10 分鐘，APM 溶液為 SC-1 清洗液(Hydrochloric Peroxide Mixture, APM)，具體溶液配置為 NH4OH:H2O2:H2O 的體積比為 Vnh4ohH =1:1:5 ；
f)大量去離子水室溫下反復(fù)沖洗；
g)HPM 溶液 6(TC清洗 10 分鐘，HPM 溶液為 SC-2 清洗液(Hydrochloric PeroxiderMixture, HPM)，具體溶液配置為 HCl:H2O2:H2O 的體積比為 Vhc1 : Vh202 : Vh20 = 1:1:6 ；
h)大量去離子水室溫下反復(fù)沖洗；
i)氮?dú)獯蹈伞?2) 25 mmol L4AgNO3和濃度為40%的氫氟酸混合，形成混合溶液,其25 mmol L4AgNO3和濃度為40%的氫氟酸體積比為I: I,超聲使混合溶液均勻分布；將經(jīng)清洗的硅片完全淹沒于混合溶液中進(jìn)行刻蝕，刻蝕過程中硅片表面與混合溶液液面垂直，并保證硅片兩面刻蝕速率相同，反應(yīng)時(shí)間為100 120分鐘，硅片雙面生長有硅納米線，其長度為 150 155 Pm，然后，用大量去離子水沖洗，去除化學(xué)試劑殘留；用硝酸去除沉積銀；大量去離子水沖洗，去除化學(xué)試劑殘留，鼓風(fēng)干燥箱烘干，制備生成基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組熱電材料。傳統(tǒng)硅納米線應(yīng)用前都需要去除表面氧化層，而發(fā)明得到的基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組熱電材料，其硅納米線表面的自然氧化層無需去除，即可直接應(yīng)用；所述雙面核 /殼結(jié)構(gòu)即娃為核、外圍包裹自然氧化層為殼。本發(fā)明都是在常溫常壓條件下進(jìn)行的。本發(fā)明的突出特點(diǎn)是(I)體硅雙面均勻刻蝕，形成雙面硅納米線組結(jié)構(gòu)，硅納米線長度為150 155 u m ； (2)保留硅納米線表面自然氧化層，不需要額外增加工藝步驟去除；(3)制備方法簡單，成本低，高重復(fù)性，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；(4)常溫常壓制備環(huán)境，一般實(shí)驗(yàn)室設(shè)備都能達(dá)到要求；(5)制備的雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組熱電材料的熱導(dǎo)率常溫下為0. 97 Wm-1K' ZT為I. 02，熱電性能優(yōu)異。


圖I中(a)為本發(fā)明的基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組熱電材料掃描電子顯微鏡 (SEM)圖，兩面硅納米線長度均為150 Pm左右；(b)為核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線透射電子顯微鏡(TEM)圖，硅核外圍包裹自然氧化層；
圖2為拉曼光譜法測試熱導(dǎo)率原理示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例a)硅片清洗
取大小為IcmX Icm硅片(p型，雙面拋光，〈100〉晶向，電阻率為0. I 10 WX cm)，用標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗步驟清洗硅片氮?dú)獯蹈蓚溆?。b)硅片化學(xué)刻蝕溶液配制
配置25 mmol I^1AgNO3、氫氟酸(HF濃度為40%)混合溶液(25 mmol I^1AgNO3和濃度為 40%HF體積比為I: I) 200 mL,超聲使混合溶液均勻分布。c)硅片化學(xué)刻蝕，制備硅納米線
硅片在化學(xué)刻蝕溶液中發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)，硅片表面被刻蝕，形成硅納米線結(jié)構(gòu)，將硅片置于垂直支架(支架作用是保證硅片放入溶液后硅面與液面保持垂直)放入溶液中(硅片完全被溶液淹沒)，保證硅片兩面刻蝕速率相同，反應(yīng)時(shí)間為120分鐘，雙面生長的硅納米線長度在150 155 Pm，用大量去離子水沖洗，去除化學(xué)試劑殘留；用硝酸去除沉積銀；大量去離子水沖洗，去除化學(xué)試劑殘留，氮?dú)獯蹈蓚溆?。d)測試熱電性能
采用拉曼光譜間接測量法測試基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的熱導(dǎo)率， 常溫下熱導(dǎo)率為0.974 WnT1K'硅納米線S2/P常溫為3. 3 X 10_3 WnT1IT2,根據(jù)方程ZT = S2T/kp，得到常溫(300 K)基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的優(yōu)值為1. 02， 優(yōu)于體硅(優(yōu)值約為0. 01)，表明基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料是一種優(yōu)良的熱電材料。e)硅片的尺寸和硅片化學(xué)刻蝕溶液按照上述比例增大，制備生成的基于雙面核/ 殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料也同比例增大，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。g)所述制備方法都是在常溫常壓條件下進(jìn)行的。
權(quán)利要求
1.一種基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟(1)標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗步驟清洗硅片，氮?dú)獯蹈蓚溆茫?2)25 mmol L4AgNO3和濃度為40%的氫氟酸混合,形成混合溶液,其25 mmol L4AgNO3 和濃度為40%的氫氟酸體積比為I: I,超聲使混合溶液均勻分布；將經(jīng)清洗的硅片完全淹沒于混合溶液中進(jìn)行刻蝕，刻蝕過程中硅片表面與混合溶液液面垂直，并保證硅片兩面刻蝕速率相同，反應(yīng)時(shí)間為100 120分鐘，硅片雙面生長有硅納米線，其長度為150 155 μ m，然后，用大量去離子水沖洗，去除化學(xué)試劑殘留；用硝酸去除沉積銀；大量去離子水沖洗，去除化學(xué)試劑殘留，鼓風(fēng)干燥箱烘干，制備生成基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組熱電材料；其中，所述硅片為P-Si，雙面拋光，<100>晶向，電阻率為O. I 10 Ω · cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料的制備方法，該方法是在硅片上生長硅納米線得到基于雙面核/殼結(jié)構(gòu)硅納米線組的熱電材料，其硅為核、外圍包裹自然氧化層為殼，其硅納米線直徑為20～300nm、長度為150～155μm，該熱電材料的熱導(dǎo)率常溫下為0.97Wm-1K-1，ZT為1.02。本發(fā)明得到的熱電材料應(yīng)用時(shí)無需去除氧化層，在納米器件領(lǐng)域和新能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；本發(fā)明具有制備方法簡單，低成本，高重復(fù)性，對環(huán)境要求低，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號H01L35/34GK102593343SQ20121005118
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者嚴(yán)強(qiáng), 朱美光, 王志亮, 陳云, 陳雪皎 申請人:華東師范大學(xué)