專利名稱：一種制備硅-硅化鐵復合納米線的方法
一種制備硅-硅化鐵復合納米線的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于復合一維半導體納米功能材料的制備，涉及一種環(huán)保型且極具應(yīng)用前景的光電材料一Si/β-FeSi2復合納米線陣列。
背景技術(shù)：
β -FeSi2是少數(shù)半導體型金屬硅化物之一，20世紀50年代，β -FeSi2作為耐高溫的高熱電轉(zhuǎn)換效率材料而備受關(guān)注，具有半導體性質(zhì)的β -FeSi2薄膜的研究始于20世紀 80年代中期。近年來人們發(fā)現(xiàn)它還是一種很有應(yīng)用前景的光電材料，并開始廣泛研究基于 β -FeSi2薄膜的微電子器件。人們期望由此得到高效率Si基發(fā)光新材料。
開展對β-FeSi2半導體的研究不僅對開發(fā)新型光電器件、熱電器件等有重要意義，更引人注目的是P-FeSi2W環(huán)保特性，常用的半導體光電材料均含有feuAsJruP等元素，這些元素在自然界的儲量不足、有毒性、會對環(huán)境造成污染。而Si、i^e元素資源豐富， 在地殼中的儲量分別為第2和第4，開發(fā)和使用以β -FeSi2為基礎(chǔ)的光電材料對環(huán)境負荷小，并且它在制造和全壽命使用過程中不會放出有毒物質(zhì)，可以回收再利用。且新型半導體材料β-FeSi2具有直接帶隙[1]，被認為是為制備硅基光電器件提供了可能途徑。這方面原因有兩點其一，具有直接帶隙的β -FeSi2能在硅表面外延，與硅器件工藝相匹配；其二， β-FeSiJi應(yīng)的特征波段是硅的全透明區(qū)，因而也是光纖通信中的最重要波段。目前，世界上已有許多大學及研究機構(gòu)開展這方面的工作。
β -FeSi2薄膜的制備方法有很多種，有固相外延法、分子束外延和脈沖激光沉積等。β-FeSi2塊材/粉末的制備方法有快速凝固法、熱壓法、放電等離子燒結(jié)法、化學氣相輸運法和溫度梯度溶液生長法和燃燒合成法。發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出了一種制備硅-硅化鐵復合納米線的方法，即通過離子注入、高溫退火、濺射Si層和化學腐蝕四大主要步驟制備的含有納米Si和納米 FeSi2顆粒的納米線陣列。該復合材料是一種環(huán)保型且極具應(yīng)用前景的光電材料。
技術(shù)方案本發(fā)明提出的一種復合納米結(jié)構(gòu)Si/β -FeSi2的制備方法。該復合納米結(jié)構(gòu)是由納米Si和納米!^eSi2顆粒組成的納米線陣列。通過離子注入、高溫退火、濺射 Si層和化學腐蝕四大主要步驟制備而成。光電性能較好的高質(zhì)量的Si/β-FeSi2要求兩個條件β-FeSi2薄膜具有一定的厚度且P-FeSi2顆粒必須較小。上述兩個要求可以通過控制離子注入劑量的大小和退火溫度來進行調(diào)控。
本發(fā)明提出的一種制備Si/β -FeSi2復合納米結(jié)構(gòu)的制備方法如下 該復合納米結(jié)構(gòu)是由納米Si和納米!^eSi2顆粒組成的納米線陣列，該材料的制備方法主要包含離子注入將清洗后的單晶硅片放入離子注入系統(tǒng)的真空室內(nèi)，設(shè)定參數(shù)注入能量60KV-80KV，注入劑量為 8 X IO15 ions/cm2-3 . 6 X 1017ions/cm2，將 Fe 離子注入到 Si 片表高溫退火將已經(jīng)注入狗離子的Si片用無水乙醇和丙酮清潔，放入高溫燒結(jié)爐中退火，設(shè)定參數(shù)為真空600°C _937°C下退火3-4h ；濺射Si層將已經(jīng)退火后的Si片放入超真空多功能磁控濺射儀內(nèi)，在樣品表面濺射 Si層，磁控濺射儀設(shè)定在射頻工作方式，濺射功率為100W，濺射時間為30min ；化學腐蝕將已經(jīng)濺射Si層的Si片放入5 mol/L HF和0. 02 mol/L AgNO3體系中進行化學腐蝕10 s，接著在在5 mol/L HF和0. 3 mol/L H2O2溶液中腐蝕1 min。
復合納米線制備完成。
在離子注入過程中，改變注入劑量這個參數(shù)，調(diào)控硅化鐵薄膜的厚度；在高溫退火過程中，改變退火溫度這個參數(shù)，調(diào)控硅化鐵顆粒粒徑大小。
有益效果本發(fā)明提供的Si/i3-FeSi2復合納米線陣列的制備方法，操作簡單，實驗可重復性優(yōu)良，P-FeSi2薄膜的厚度和β-FeSi2顆粒粒徑可以調(diào)控。用本發(fā)明得到的 Si/β-FeSi2晶體質(zhì)量高，不易產(chǎn)生缺陷。


圖1為采用本發(fā)明所述方法制備的Si/β-FeSi2復合納米線陣列的示意圖。納米線頂端部分為P-FeSi2顆粒，其余部分為晶體硅。
具體實施方式
下面結(jié)合實例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明本發(fā)明制備的Si/β-FeSi2復合納米材料是含有納米Si和納米!^eSi2顆粒的復合納米線陣列。該復合材料是一種環(huán)保型且極具應(yīng)用前景的光電材料。
本發(fā)明中Si/β -FeSi2復合納米線陣列是通過離子注入、高溫退火、濺射Si層和化學腐蝕四大主要步驟制備而成。其中P-FeSi2薄膜的厚度和β-FeSi2顆粒粒徑會影響材料的光電性能，可以通過控制離子注入的劑量大小以及退火溫度來進行調(diào)控。
本發(fā)明提出的新型的制備Si/β-FeSi2復合納米結(jié)構(gòu)的方法包括以下步驟 ⑴將硅片采用RCA清洗法來去除表面的氧化層及金屬污染，接著依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進行超聲震蕩洗滌，并且在每一個清洗步驟完成后都采用去離子水沖洗。
⑵離子注入將(1)中樣品放入離子注入系統(tǒng)真空室內(nèi)，用高能(大于60 Kev)對 Si基進行！^離子注入。
⑶高溫退火將步驟(2)中樣品使用無水乙醇和丙酮清潔，放入高溫燒結(jié)爐中在真空下高溫退火。
⑷濺射Si層將步驟(3)中樣品采用磁控濺射法射頻工作模式下在樣品表面濺射 Si層。
ω化學腐蝕將步驟(4)中樣品采用化學鍍的方法進行化學腐蝕制備出環(huán)保型且極具應(yīng)用前景的光電材料一 Si/i3-FeSi2復合納米線陣列。反應(yīng)試劑有AgNO3溶液(0.02 mol/L)、HF 溶液(5 mol/L)、H2O2 溶液(0. 3 mol/L)。
實施例一1)將硅片采用RCA清洗法來去除表面的氧化層及金屬污染，接著依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進行超聲震蕩洗滌，并且在每一個清洗步驟完成后都采用去離子水沖洗。
2)離子注入將(1)中樣品放入離子注入系統(tǒng)真空室內(nèi)，用高能(大于60 Kev) 3.6X1017ions/cm2的劑量對Si基進行狗離子注入，Si基表面形成幾十納米厚度的連續(xù)膜。
3)高溫退火將步驟(2)中樣品使用無水乙醇和丙酮清潔，放入高溫燒結(jié)爐中在真空880°C下退火4h。
4)濺射Si層將步驟(3)中樣品采用磁控濺射法100W濺射功率在射頻工作模式下在樣品表面濺射Si層30 min0
5)化學腐蝕將步驟(4)中樣品采用化學鍍的方法進行化學腐蝕，在HF (5 mol/ L)/ AgNO3 (0.02 mol/L)體系中腐蝕 10 s，在 HF (5 mol/L) / H2O2 (0.3 mol/L)溶液中腐蝕1 min，可以制備出相對比較理想的Si/β-FeSi2復合納米線陣列。
實施例二1)將硅片采用RCA清洗法來去除表面的氧化層及金屬污染，接著依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進行超聲震蕩洗滌，并且在每一個清洗步驟完成后都采用去離子水沖洗。
2)離子注入將(1)中樣品放入離子注入系統(tǒng)真空室內(nèi)，用高能(大于60 Kev) 3.6X1016ions/cm2的劑量對Si基進行狗離子注入，Si基表面形成顆粒狀非連續(xù)膜。
3)高溫退火將步驟(2)中樣品使用無水乙醇和丙酮清潔，放入高溫燒結(jié)爐中在真空880°C下退火4h。
4)濺射Si層將步驟(3)中樣品采用磁控濺射法100W濺射功率在射頻工作模式下在樣品表面濺射Si層30 min0
5)化學腐蝕將步驟(4)中樣品采用化學鍍的方法進行化學腐蝕，在HF (5 mol/ L)/ AgNO3 (0.02 mol/L)體系中腐蝕 10 s，在 HF (5 mol/L) / H2O2 (0.3 mol/L)溶液中腐蝕1 min，可以制備出β-FeSi2薄膜較薄但顆粒粒徑較大的Si/β-FeSi2復合納米線陣列。
實施例三1)將硅片采用RCA清洗法來去除表面的氧化層及金屬污染，接著依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進行超聲震蕩洗滌，并且在每一個清洗步驟完成后都采用去離子水沖洗。
2)離子注入將(1)中樣品放入離子注入系統(tǒng)真空室內(nèi)，用高能(大于60 Kev) 3.6X1017ions/cm2的劑量對Si基進行狗離子注入，Si基表面形成顆粒狀非連續(xù)膜。
3)高溫退火將步驟(2)中樣品使用無水乙醇和丙酮清潔，放入高溫燒結(jié)爐中在真空600°C下退火4h。
4)濺射Si層將步驟(3)中樣品采用磁控濺射法100W濺射功率在射頻工作模式下在樣品表面濺射Si層30 min.
5)化學腐蝕將步驟(4)中樣品采用化學鍍的方法進行化學腐蝕，在HF (5 mol/ L)/ AgNO3 (0.02 mol/L)體系中腐蝕 10 s，在 HF (5 mol/L) / H2O2 (0.3 mol/L)溶液中腐蝕1 min，可以制備出β-FeSi2薄膜較厚但顆粒粒徑較小的Si/β-FeSi2復合納米線陣列。
權(quán)利要求
1. 一種制備硅-硅化鐵復合納米線的方法，該復合納米結(jié)構(gòu)是由納米Si和納米 FeSi2顆粒組成的納米線陣列，其特征在于該材料的制備方法主要包含 離子注入將清洗后的單晶硅片放入離子注入系統(tǒng)的真空室內(nèi)，設(shè)定參數(shù)注入能量 60KV-80KV，注入劑量為 8 X IO15 ions/cm2-3 . 6 X 1017ions/cm2，將 Fe 離子注入到 Si 片表高溫退火將已經(jīng)注入狗離子的Si片用無水乙醇和丙酮清潔，放入高溫燒結(jié)爐中退火，設(shè)定參數(shù)為真空600°C _937°C下退火3-4h ；濺射Si層將已經(jīng)退火后的Si片放入超真空多功能磁控濺射儀內(nèi)，在樣品表面濺射 Si層，磁控濺射儀設(shè)定在射頻工作方式，濺射功率為100W，濺射時間為30min ；化學腐蝕將已經(jīng)濺射Si層的Si片放入5 mol/L HF和0. 02 mol/L AgNO3體系中進行化學腐蝕，接著在在5 mol/L HF和0. 3 mol/L H2O2溶液中腐蝕； 復合納米線制備完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅-硅化鐵復合納米線的方法，其特征在于在離子注入過程中，改變注入劑量這個參數(shù)，調(diào)控硅化鐵薄膜的厚度；在高溫退火過程中，改變退火溫度這個參數(shù)，調(diào)控硅化鐵顆粒粒徑大小。
全文摘要
Si/β-FeSi2復合納米結(jié)構(gòu)屬于復合一維半導體納米功能材料。該復合材料是經(jīng)過離子注入、高溫退火、濺射Si層和化學腐蝕四大主要步驟后形成的含有納米Si和納米FeSi2顆粒的復合納米線陣列。在該方法中，可以分別通過改變離子注入的劑量以及退火溫度來控制β-FeSi2薄膜的厚度和β-FeSi2顆粒的粒徑。具有半導體性質(zhì)的Si/β-FeSi2復合納米材料由于其優(yōu)異的光電性能在新型光電器件，熱電器件應(yīng)用方面有著很好的發(fā)展前景，是一種環(huán)保型且極具應(yīng)用前景的光電材料。
文檔編號B81C1/00GK102515088SQ20111040801
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者張艷, 邱騰 申請人:東南大學