[发明专利]利用松木结构多孔铜辅助刻蚀锥状阵列硅表面的方法

说明书

本发明公开了一种利用松木结构多孔铜辅助刻蚀锥状阵列硅表面的方法。先将松科木材在非氧化气氛中烧结，得到具有松木结构的多孔碳，再将该多孔碳在硝酸铜溶液中浸泡，干燥后经过无氧气氛烧结，得到具有松木结构的多孔铜；以该多孔铜为催化剂，将其置于硅平面上，用腐蚀剂浸没单晶硅，在铜的催化辅助作用下，硅表面被腐蚀，从而形成与多孔铜结构凸凹相反的锥状阵列硅表面。本发明所制得的硅表面呈锥状阵列结构，拓扑了松木的微观构造，高程度的借鉴自然，可获得优异的疏水性能和接收光子能力；本发明获得的锥状阵列硅表面具有顶部更窄，与水接触面积更小的优点，更有利于减小硅表面对水的黏附力，有利于获得更好的疏水性能。

技术领域

本发明属于一种制备硅基疏水、减反表面的方法，特别是一种利用松木结构多孔铜辅助刻蚀锥状阵列硅表面的方法。

背景技术

硅作为一种重要的半导体材料，在光学、电学、磁学和热学方面有特殊的性质，被广泛应用于各种半导体器件和集成电路的电子材料。这些电子器件如果暴露在空气中，极易吸附灰尘，或者粘附水汽从而导致电路短路，电子器件失灵。所以制备硅基的表面疏水结构有助于保护电路，达到电子器件表面自清洁等作用。尤其是作为户外使用的器件，比如说太阳能板，长期暴露在外界坏境中极易受到雨水的侵蚀受损，且要定期表面除尘以保证表面的受光量和转化效率。所以采用疏水表面的半导体硅材料制作的太阳能板可以很好地解决这些问题，并达到提升使用寿命和效率的目的。此外，硅晶体自身还存在光反射率高、光接收能力低的缺点，这不利于硅基太阳能板的吸光性能。目前，硅电子工业常在硅表面加工出粗糙结构，一方面，该结构可实现硅表面的疏水性能，另一方面，该特殊表面结构能增加硅表面的光吸收效率，提升光电转化率。硅基材料的表面粗糙结构常通过刻蚀法和化学气相沉积法得到，如金属辅助刻蚀、光刻蚀或机械刻蚀。制备出的粗糙结构多为上下同宽的柱状阵列。如利用具有木材结构的银作催化剂腐蚀出了柱状阵列的硅表面（T.C. Wang, G.J.Liu, J. Kong, C.P. Wong, Fabrication and hydrophobic properties of column-array silicon using wood-structured silver-assisted chemical etching,Advanced Materials Interfaces, 2016, 3(19), Online.）。柱状阵列虽然可提高硅表面的疏水性能和接收光的能力，但柱状的顶部面积仍然较大，这不利于减小与水的接触面积和疏水性能的进一步提高，这也不利于增加照射进阵列中光的量和硅接收光能力的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高程度借鉴自然、制成品性能优良的制备硅基疏水、吸光表面的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：利用松木结构多孔铜辅助刻蚀锥状阵列硅表面的方法，包括如下步骤：

（1）将松木置于非氧化性气氛烧结炉中烧结，烧结温度高于600 ℃，升温速率低于2℃/min，制得具有松木结构的多孔碳；

（2）将多孔碳在硝酸铜溶液中浸渍，溶液浓度为0.01～0.05 mol/L，浸渍时间为2～3小时，浸渍后将多孔碳取出干燥；

（3）将干燥后的多孔碳放在无氧气氛加热炉中烧结，烧结温度高于500 ℃，升温速率低于2 ℃/min，获得具有松木结构的多孔铜；

（4）用氢氟酸、双氧水和水的混合液作腐蚀剂，并用腐蚀剂浸没单晶硅；

（5）将步骤（3）所述的多孔铜压在单晶硅平面上，使之充分接触，接触时间为39～41分钟，在铜的催化辅助作用下，腐蚀剂迅速腐蚀单晶硅，并形成与多孔铜结构凸凹相反的锥状阵列硅表面。

步骤（1）中，所述的松木为广义的松科木材，包括松木、水杉木等，优选白松木；所述的非氧化性气氛烧结炉为木材碳化炉、连续抽真空加热炉、氩气保护烧结炉或氮气保护烧结炉，优选氩气保护烧结炉；所述的烧结温度优选600～800 ℃；所述的升温速率优选1～2 ℃/min。