[发明专利]一种多孔硅微米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔硅微米管及其制备方法，特别是一种圆形、非封闭多孔材料构成的微米管及制备方法，所述的方法在单晶硅基片上通过电化学氧化和特殊干燥方法制备微米管方法，属于硅微机电系统技术领域。

背景技术

微米管作为一种新型的准一维结构材料，由于其独特的结构-性能特征及其在物理电子学、光学、生物医学、化学、材料学和微电机系统等领域具有广阔的应用前景，而深受研究者的广泛关注在这些新奇的纳米材料中，管状结构因具有独特的性能和潜在的价值而成为一维纳米结构家族的重要研究对象。微米管状结构，因为通常具有良好的力学性能、化学稳定性和单分散性，且能借助于目前的微米操作技术对其进行单个操作，因而受到了国内外众多研究者的广泛关注。

多孔硅作为一个特殊的硅量子线多孔材料，能够实现室温下可见光的发射。而发光波长与硅纳米线尺寸密切相关，小尺寸硅量子线将发出光波长更短的可见光。但是实验表明高孔度多孔硅的力学稳定性能很差，用传统电化学氧化方法制造的多孔硅的结构特性会既随孔隙率的提高又随起始材料电阻率的提高而变坏.在Appl.Phys.Lett.60(1992)2285-2287页中讨论了应力对多孔硅发光的影响，显示出多孔硅材料的开裂和破碎，相当程度的多孔硅的分层和剥落发生了。在Thin Solid Films,401(2001)306页中通过X射线衍射数据分析认为，应力的产生是由于多孔硅层和硅基底的晶格失配产生的，并且多孔硅孔度越大，此应力数值越大。在Appl.Phys.Lett.83(2003)1370-1372页中讨论了多孔硅应力的不均匀现象，其平行和垂直的杨氏模量的比值约为3.4。

有关多孔硅的工作有很多发表的文章，而在这些所有的工作中，他们并没有尝试利用多孔硅中的应力问题去构建多孔硅特殊结构，而利用多孔硅应力去制备多孔硅微米管将显示出很有意义的工作。

发明内容

本发明的目的就是利用多孔硅自身的特点，通过多孔硅干燥过程中的应力不均匀的现象，通过控制合适的多孔度（腐蚀电流密度）和厚度（腐蚀时间）使得多孔硅层与衬底分离，并自动卷曲获得中空的、非封闭的直径为微米尺度的圆柱形微米管。

本发明的另一个目的是提供上述多孔硅微米管的制备方法。

本发明目的可以通过以下技术方案来实现：

通过扫描电子显微镜（SEM）观察，此多孔硅微米管的直径为20微米，其长度为100-600微米。通过X射线能量色散光谱（EDX）分析，其主要成分是硅材料。

上述多孔硅微米管的制备方案，包括如下步骤：

（1）标准清洗工艺处理的单晶Si-100晶面硅基底背面蒸铝，做欧姆接触：硅基片采用单面抛光的p型硅片，(100)晶面，电阻率为5～10Ω·cm；采用了集成电路的标准清洗工艺：RCA工艺；而后在去离子水浸泡5分钟，氮气吹干。在非抛光面蒸铝，在氮气环境下450℃退火30分钟，形成良好欧姆接触。

（2）硅基底的电化学氧化过程：浓氢氟酸（质量百分比为48%）和纯乙醇（体积百分比为99%）体积比1∶1。腐蚀过程是在黑暗环境中进行，以作避光处理。腐蚀的电流密度从82毫安/平方厘米，腐蚀时间从2分钟。实验标定这一系列样品的厚度约在2.5微米，而多孔度约在60%-75%。

（3）多孔硅样品干燥过程中的自分离和卷曲工艺：干燥过程可以采用在不同环境中进行样品干燥处理，如直接在空气中风干，或者用氮气份中干燥处理，或者在乙醇溶液中浸泡清洗处理后用氮气干燥等。所述的多孔硅微米管可以用于化学或生物的探测载体。

多孔硅微米管的形成过程是利用多孔材料的力学不均匀特点，特别是横向和纵向的应力不均匀，实现多孔硅层的先从硅基底上断裂，再自弯曲实现圆形管状结构。

本发明通过合适的制备条件制备高孔度多孔硅层，通过特殊干燥工艺，利用多孔硅中的应力不均匀特性，通过自断裂和自弯曲过程获得一种多孔硅微米管结构。由于多孔硅具有独特的结构特点，一旦形成管状结构将会有更大的比表面积，以及良好的力学性能和可操作性，在物理电子学和光学、生物医学和化学、材料学和微电机系统等众多领域具有巨大的潜在应用价值。

本发明与现有技术相比，工艺简单，成本低廉，极具实用价值，值得推广。

附图说明

为了使本发明可以被更完全的理解，下面将参考附图对其进行说明，其中：

图1多孔硅微米管形成的示意图；

图2样品4的光学显微镜照片；

图3样品5的扫描电镜照片（50μm）；