[发明专利]一种硫掺杂硅纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种硫掺杂硅纳米颗粒的制备方法。

背景技术

纳米颗粒具有表面效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应等特性。有较大的比表面积、活跃的化学性质，能够产生带隙的蓝移。在光伏太阳能、光催化、生物医学等诸多领域有广泛的应用前景。传统上，硅纳米颗粒多指纯硅颗粒，很少有人专注掺杂硅纳米颗粒。

1999年，美国哈弗大学Mazur等人，在SF₆气氛中用飞秒激光辐照硅表面，制作出了一种新型材料——黑硅。在飞秒激光烧蚀和SF₆在强电场下解离并与硅产生化学反应的双重作用下，硅表面会诱导出锥状结构，表面呈黑色，具有从可见光到近红外的广谱吸收能力，且吸收效率极高。尤其引人注意的是，即便在能量小于硅带隙宽度的近红外波段(1100nm-2000nm)，吸收效率也能达到90％以上。经过大量的实验表明，这种奇特的吸收能力与黑硅材料两方面性质有关，其一是硅表面锥状减反结构，能有效低将入射光波限制在这种结构中，多次反射，增加吸收概率，其二，是表面过饱和硫元素掺杂，硫原子以替位式掺杂代替了硅原子，并形成杂质能带，这使得黑硅能对近红外光也产生强烈的吸收，拓展了太阳光谱的利用范围。因此，硫掺杂硅是一个极具应用前景的研究方向。而硫掺杂硅纳米颗粒可能会将纳米颗粒的特性和硫元素掺杂特性结合起来，对它的研究和应用将更具有现实意义。

传统上，纳米颗粒制备方法主要有有分子束外延、化学气相沉积、激光辅助气相沉积等。但是，用这些方法制备的硅纳米颗粒生长周期长，技术手段复杂，一些过程有毒性，限制了硅纳米颗粒的生产和应用。

发明内容

为了克服上述技术难题，能制备出硫掺杂纳米颗粒，加快制备速度，而且在1nm-500nm范围内调节硫掺杂纳米颗粒的尺寸，我们发明了一种利用飞秒激光在SF₆气氛中快速制备硫掺杂纳米颗粒的方法。

为了达到上述发明的目的，提供一种硫掺杂硅纳米颗粒的制备方法，其包括以下步骤：

(1)飞秒激光在六氟化硫(SF₆)气体中辐照硅片制备硫掺杂硅样品；

(2)飞秒激光辐照硫掺杂硅样品制备硫掺杂硅纳米颗粒。

优选地，在步骤[1]中所描述的制备硫掺杂硅样品的具体方法为：

(1)选取硅片，硅片电阻率可以为但不限于0.001～2000Ω*cm，硅片的掺杂类型(n型或者p型)、晶向、大小不限，根据实际情况选取，硅表面的颜色为银灰色或者银色；

(2)将清洗干净的硅片放入加工腔内，固定在样品架上，使得能够入射激光垂直辐照在样品表面上；

(3)抽真空，真空度为10^-2-10^-5Pa，再通入气压范围为小于1个标准大气压的SF₆，反复2-3次；

(4)飞秒光辐照固定在样品架上的硅片，飞秒激光的波长为紫外至近红外，脉宽可以为5fs-500fs，飞秒激光通量为1kJ/m²-100kJ/m²；样品架通过强磁铁牢固的吸附在一个二维移动台上，可以在移动平台的驱动下在垂直于激光入射方向上的二维平面内任意移动，设定移动平台的速度保证飞秒激光辐照硅样品时，样品表面单位面积上能够接受到1-5000个脉冲辐照，所谓单位面积在这里是指飞秒激光辐照硅样品表面时，单个脉冲投影到样品表面上的面积；

(5)加工完成后，抽走加工腔中的六氟化硫气体，通入氮气或者空气，使得加工腔内气压达到一个标准大气压，将在六氟化硫气氛中，经过飞秒激光辐照后的硅片从加工腔中取出，此时被辐照过的区域为硫掺杂区域，这一区域的硅片颜色比加工之前的硅样品颜色变深，为深灰色或者黑色，由于受到激光辐照作用，硫掺杂区域中硅不仅为单晶硅，还可以是多晶硅或者非晶硅，掺杂区域的厚度小于500nm，掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³～1×10²¹/cm³。

进一步地，步骤[2]中所描述的飞秒激光辐照过饱和硫掺杂硅样品制备硫掺杂硅纳米颗粒的具体方法为：

(1)将步骤[1]中，制备好的硫掺杂硅样品放入加工腔中，固定在样品架上，此时样品与入射激光的方向成10°～80°的夹角；

(2)在硫掺杂硅样品前放置1-10cm的位置硫掺杂硅纳米颗粒的收集装置，此收集装置可以为玻璃片、硅片，也可以为烧杯、培养皿等，但不限于以上装置；