[发明专利]一种亚波长硅纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚波长硅纳米线阵列的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

近年来，硅纳米线作为一种新型的半导体材料，因其具备巨大的比表面积、量子限制效应、表面效应等特性，使得它们在光、电、热、磁和催化反应等方面表现出奇特的物理化学性质，因而在光致发光、大规模集成电路、单电子器件、纳米传感器等领域展现出十分重要的运用潜力。

根据硅纳米线的生长方向来分，通常其制备方法主要分“自下而上”和“自上而下”两种。“自下而上”是指从原子分子水平出发，利用催化剂催化生长，在材料生长过程中对其结构、组分和尺寸等进行控制。尽管这类型的方法可以一次性生长出较大规模硅纳米线样品，但其难以实现硅纳米线的定位生长，为后期电子器件的应用带来巨大困难。“自上而下”是指从体材料出发，利用激光或纳米刻蚀技术来制备纳米线材料，金属纳米颗粒辅助刻蚀法作为一种典型的“自上而下”制备技术，因其具有设备要求低、工艺简单、生长参数易于控制、重复性好，可低成本合成高度有序的、高长径比的硅纳米线阵列等优点而备受关注。清华大学彭庆奎等人利用两步金属纳米颗粒辅助刻蚀法制备单一轴向排布的单晶硅纳米线阵列（专利公开号：CN 1693191 A）；中国专利CN 103572374 A公开一种两步金属纳米颗粒辅助刻蚀法制备硅纳米线的方法，利用离子溅射镀膜法在硅片表面沉积金属纳米颗粒，在HF/H₂O₂腐蚀液中刻蚀单晶硅片来制备硅纳米线；专利CN 102040192 A提出采用取向为<111>的单晶硅片为原料，采用一步金属纳米颗粒辅助刻蚀法实现弯折硅纳米线阵列的制备。华北电力大学李美成等人利用n型单晶硅为原料，采用两步金属纳米颗粒辅助刻蚀制备出具有亚波长结构的硅纳米线阵列，并发现其表现出优越的减反特性，在高效太阳能电池领域展现出应用前景（专利公开号：CN 103030100 A）。

然而，尽管目前已有关于金属纳米辅助刻蚀法制备硅纳米线阵列的报道，但制备原料仍是以单晶硅片为主。相比于单晶硅而言多晶硅片具有更低的成本，试想若能实现以多晶硅片为基底制备大规模硅纳米线阵列对于降低硅纳米线在传感器、光电子器件、催化科学等领域的产业化应用具有十分重要的意义。此外，由于多晶硅片仍是太阳能电池产生的主要材料，通过在其表面引入具有亚波长结构的硅纳米线阵列，可以大大提高多晶硅片的减反效果，这使得硅纳米线阵列在除纳米传感器、光电子器件、纳米催化等领域外的太阳能光伏领域也展现出巨大的运用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种亚波长硅纳米线阵列的制备方法，此方法以廉价的商用多晶硅片为原料，借助纳米金属粒子（Ag、Pd、Au、Pt、Cu）的催化作用，运用一步或两步金属纳米颗粒辅助刻蚀法制备大规模具有单晶结构的硅纳米线阵列，经过对硅纳米线阵列的二次腐蚀即可获得大规模具有亚波长结构纳米线阵列，且其对光线表现出良好的减反射特性。

本发明所述亚波长硅纳米线阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将多晶硅片依次用丙酮、甲苯、乙醇、去离子水超声分别清洗1～20分钟，清洗干净的多晶硅片放入由H₂SO₄和H₂O₂按体积比为3:1的比例混合得到的溶液中浸泡1~60分钟，后置于浓度为0.1~40wt%的氢氟酸溶液中浸泡1~120min，取出后用去离子水冲洗干净后备用；

（2）借助金属纳米粒子Ag、Pd、Au、Pt或者Cu的催化作用，采用一步或两步金属纳米颗粒辅助刻蚀法，在硅片表面进行刻蚀，形成大规模硅纳米线阵列；

（3）将步骤（2）中得到的含有纳米金属粒子的大规模硅纳米线阵列置于浓度为0.1~90wt%的氧化性溶液中浸泡10~600min，用去离子水清洗后得到硅纳米线阵列；

（4）在10~100℃下将步骤（3）中得到的硅纳米线阵列置于刻蚀剂中刻蚀0.01~48h，之后用大量的去离子水清洗、氮气吹干即可获得具有亚波长结构的硅纳米线阵列，刻蚀剂选取浓度为0.1~90wt%的碱性溶液或含氧化物浓度为0.1~50wt%的氢氟酸混合溶液。