一種在交變電場下制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于娃納米結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅納米結(jié)構(gòu)材料在半導體工業(yè)、傳感器、太陽能電池、MEMS等領(lǐng)域具有十分重要的作用。目前制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的方法主要有金屬催化氣-液-固(VLS)方法、固-液-固(SLS)生長法、等離子體刻蝕法以及金屬輔助化學腐蝕法等。其中，金屬輔助化學腐蝕法憑借操作簡便、不需要精密設(shè)備等優(yōu)點在國際上得到了廣泛認可并應用。其它方法也各有優(yōu)點。但是，現(xiàn)有技術(shù)存在不能制備復雜的娃納米結(jié)構(gòu)材料以及制備得到的娃納米結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)準確性不高、制備效率低等技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種在交變電場下制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的方法，該方法通過三對惰性電極產(chǎn)生交變電場作用于金屬輔助腐蝕過程，不僅提高了腐蝕速度和硅納米結(jié)構(gòu)的精確性，而且可以更好地控制定向腐蝕方向。
[0004]金屬輔助腐蝕法中貴金屬催化劑與硅表面發(fā)生局部原電池反應，其運動軌跡即為被加工軌跡。實現(xiàn)貴金屬催化劑粒子的可控性也就可以良好的控制腐蝕方向。國際上廣泛認可的，在腐蝕制備過程中貴金屬粒子帶有負電性，因此，本發(fā)明在反應中添加交變電場，通過電場控制引導貴金屬顆粒的運動軌跡，從而實現(xiàn)了硅納米加工的方向可控性，同時28-40kHz的交變電場能夠在貴金屬反應前端產(chǎn)生超聲空化泡，提高了定向腐蝕速度。目前國內(nèi)及國際上都還沒有關(guān)于該制備方法的報道。
[0005]本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0006]一種在交變電場下制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其按如下步驟:
[0007](I)、將潔凈的體硅六面即前后左右上下面分別粘貼三對獨立的惰性電極，并在每一惰性電極上鉆出一個工藝孔使腐蝕液可以和體硅接觸，惰性電極通過電控裝置產(chǎn)生交變電場。工藝孔的直徑可以是3-30mm。
[0008](2)、將步驟(I)已粘貼惰性電極的體硅放入配比好的腐蝕液中。腐蝕液由氫氟酸、雙氧水、金屬催化劑和去離子水配制而成。
[0009](3)、步驟⑵完成后，立刻打開惰性電極電源。制備過程在常溫下進行，交變電場頻率為28-40kHz，三對電極通過電控裝置產(chǎn)生三個正交的交變電場控制腐蝕方向和腐蝕速度。
[0010]本發(fā)明中，控制電路部分和控制方法屬于現(xiàn)有技術(shù)，不予詳述。
[0011]作為優(yōu)選的方案，氫氟酸的質(zhì)量濃度為40 %，雙氧水的質(zhì)量濃度30 %，硝酸銀的摩爾濃度0.2mol/L，水為去離子水，腐蝕液體積比為10:1:1:38和12:1:1:36。
[0012]作為優(yōu)選的方案，惰性電極為石墨電極。
[0013]作為優(yōu)選的方案，納米硅結(jié)構(gòu)材料包括多孔硅、納米線、體硅內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)。
[0014]作為優(yōu)選的方案，單晶硅材料包括電阻率為0.001-30 Ω /cm2的N型和P型體硅。
[0015]作為優(yōu)選的方案，電流為直流，電場強度為300v/m-1000v/m。
[0016]步驟(3)，惰性電極產(chǎn)生的交變電場作用于金屬催化劑顆粒，當交變電場頻率達到28-40kHz時腐蝕液中產(chǎn)生超聲空化泡，超聲空化泡促進腐蝕速度。
[0017]步驟(3)，惰性電極產(chǎn)生的交變電場作用于金屬催化劑顆粒，可控制腐蝕速度。
[0018]本發(fā)明綜合以上各個影響因素可實現(xiàn)多種硅納米結(jié)構(gòu)材料的制備，具有操作簡便且集成度高的優(yōu)點，非常適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)。
[0019]本發(fā)明硅納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法屬于硅納米結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，其在金屬輔助腐蝕制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的同時，帶負電的金屬催化劑顆粒在交變電場的作用下做機械振動；在交變電場頻率達到28-40kHz的時候，腐蝕液內(nèi)產(chǎn)生超聲空化泡，超聲空化泡的作用有兩點:(I)、超聲空化產(chǎn)生微射流對溶液具有強烈的攪拌作用，增強了離子向納米硅結(jié)構(gòu)(如深小孔，納米線等)的運輸能力，保持了腐蝕液在各處的濃度均勻性。(2)、溶液中的離子依附在超聲空化泡的表面，易于反應中電子轉(zhuǎn)移，加快定向腐蝕速率實現(xiàn)了硅原子化學性脫落；空化泡在潰滅的瞬間產(chǎn)生高溫高壓，使硅原子物理性脫落。
[0020]本發(fā)明方法不僅解決了金屬輔助腐蝕中速率低、制備的硅納米結(jié)構(gòu)精度低等問題，而且通過交變電場對金屬催化劑顆粒的精確控制，從而能夠控制腐蝕方向，實現(xiàn)三維硅納米結(jié)構(gòu)的精確制備。
【附圖說明】
[0021]圖1為體硅與惰性電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為交變電場下腐蝕模型。
[0023]圖3為本發(fā)明制得的單晶硅納米線結(jié)構(gòu)。
[0024]圖4為本發(fā)明制得的體硅內(nèi)部三維納米結(jié)構(gòu)(硅內(nèi)部半圓弧結(jié)構(gòu))。
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0026]以下各實施例中，體硅材料選用電阻率為0.001-30 Ω /cm2的N型體硅或P型體硅。氫氟酸質(zhì)量濃度為40%，雙氧水質(zhì)量濃度30%，硝酸銀摩爾濃度0.2mol/L，水為去離子水。電極為石墨電極。本發(fā)明中的材料未經(jīng)特殊說明均為常規(guī)材料，可以從商業(yè)途徑獲得，所用試劑也為常規(guī)工業(yè)試劑。
[0027]如圖1所示，將潔凈的體硅2六面即前后左右上下面分別粘貼三對獨立的惰性電極1、5、3、4，并在每一惰性電極上鉆出一個直徑3-30mm的工藝孔使腐蝕液可以和體硅接觸，惰性電極通過電控裝置產(chǎn)生交變電場。
[0028]實施例1、制備硅納米線
[0029]將潔凈體硅和粘貼好的惰性電極放入腐蝕液中，腐蝕液組分比例為氫氟酸:雙氧水:硝酸銀:水，體積比12:1:1:36。接通三對惰性電極，電場強度為300v/m-1000v/m，頻率為40kHz ;在15°C -25°C下腐蝕120min后取出清洗，制備出硅納米線結(jié)構(gòu)。
[0030]實施例2、制備硅納米線
[0031]將潔凈體硅和粘貼好的惰性電極放入腐蝕液中，腐蝕液組分比例為氫氟酸:雙氧水:硝酸銀:水，體積比12:1:1:36。接通三對惰性電極，電場強度為300v/m-1000v/m，頻率為40kHz ;在15°C -25°C下腐蝕120min后取出清洗，制備出硅納米線結(jié)構(gòu)。
[0032]實施例3、制備3D納米硅結(jié)構(gòu)(體硅內(nèi)部制備圓弧結(jié)構(gòu))
[0033]將潔凈體硅和粘貼好的惰性電極放入腐蝕液中，腐蝕液組分比例為氫氟酸:雙氧水:硝酸銀:水，體積比10:1:1:38。三對惰性電極同時打開，三個分別電場強度為300v/m-lOOOv/m，頻率為28kHz ;在15°C _25°C下腐蝕90min后取出清洗，制備出3D納米硅結(jié)構(gòu)。
[0034]實施例4、制備3D納米硅結(jié)構(gòu)(體硅內(nèi)部制備圓弧結(jié)構(gòu))
[0035]將潔凈體硅和粘貼好的惰性電極放入腐蝕液中，腐蝕液組分比例為氫氟酸:雙氧水:硝酸銀:水，體積比10:1:1:38。三對惰性電極同時打開，三個電極電場強度分別為300v/m-1000v/m，頻率為40kHz ;在15°C _25°C下腐蝕120min后取出清洗，制備出3D納米硅結(jié)構(gòu)。
[0036]參見圖2，催化劑銀顆粒在單晶硅內(nèi)部腐蝕加工的過程，反應過程中的催化劑銀顆粒帶有負電性，在交變電場作用下做簡諧振動當頻率達到28-40kHz時，催化劑銀顆粒與單晶硅接觸空隙中會產(chǎn)生超聲空化泡?？栈轁绠a(chǎn)生高溫高壓促使單晶硅物理性脫落，而且空化泡附著離子促使電子從硅原子轉(zhuǎn)移到催化劑銀顆粒，進而轉(zhuǎn)移到腐蝕液中。氧化劑雙氧水被還原為水，硅單質(zhì)被氧化為硅離子。
[0037]本發(fā)明在金屬輔助腐蝕制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的同時，帶負電的金屬催化劑顆粒在外加交變電場的作用下，做簡諧波振動，在交變電場頻率達到28-40kHz的時候腐蝕液內(nèi)產(chǎn)生超聲空化泡加速定向腐蝕速度，同時交變電場可以較好的控制金屬催化劑顆粒運動路徑和運動速度，從而可以實現(xiàn)多種硅納米結(jié)構(gòu)的精確制備。
【主權(quán)項】
1.一種在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其按如下步驟: (1)、體硅的六面粘接三對獨立的惰性電極，并在每一惰性電極上鉆出工藝孔，惰性電極能產(chǎn)生交變電場； (2)、將步驟(I)的體硅放入由氫氟酸、雙氧水、金屬催化劑和去離子水配制而成的腐蝕液中； (3)、步驟(2)后，開啟惰性電極，交變電場頻率為28-40kHz，三對惰性電極產(chǎn)生三個正交的交變電場控制腐蝕方向和腐蝕速度，腐蝕一段時間后取出清洗，制得硅納米結(jié)構(gòu)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(1)，工藝孔的直徑3-30mm。
3.如權(quán)利要求1所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(1)，惰性電極選用石墨電極。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(I)，體硅材料選用電阻率為0.001-30 Ω /cm2的N型體硅或P型體硅。
5.如權(quán)利要求1所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(2)，金屬催化劑選用硝酸銀。
6.如權(quán)利要求5所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(2)，氫氟酸的質(zhì)量濃度為40%，雙氧水的質(zhì)量濃度30%，硝酸銀的摩爾濃度0.2mol/Lo
7.如權(quán)利要求5或6所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(2)，氫氟酸、雙氧水、硝酸銀、去離子水的體積比為10:1:1:38或12:1:1:36。
8.如權(quán)利要求1所述的在交變電場下制備娃納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是:步驟(3)，在15°C_25°C下腐蝕80-150min后取出清洗。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在交變電場下制備硅納米結(jié)構(gòu)材料的方法，其按如下步驟：(1)、體硅的六面粘接三對獨立的惰性電極，并在每一惰性電極上鉆出工藝孔，惰性電極能產(chǎn)生交變電場；(2)、將步驟(1)的體硅放入由氫氟酸、雙氧水、金屬催化劑和去離子水配制而成的腐蝕液中；(3)、步驟(2)后，開啟惰性電極，交變電場頻率為28-40kHz，三對惰性電極產(chǎn)生三個正交的交變電場控制腐蝕方向和腐蝕速度，腐蝕一段時間后取出清洗，制得硅納米結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明方法不僅解決了金屬輔助腐蝕中速率低、制備的硅納米結(jié)構(gòu)精度低等問題，而且通過交變電場對金屬催化劑顆粒的精確控制，從而能夠控制腐蝕方向，實現(xiàn)三維硅納米結(jié)構(gòu)的精確制備。
【IPC分類】B82Y40-00, C30B33-10, C30B33-04
【公開號】CN104711678
【申請?zhí)枴緾N201510056984
【發(fā)明人】巢炎, 焦曉東, 吳立群, 張俐楠, 林志朋, 葉玅宏
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年2月4日