一種在光纖表面制備一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在光纖表面制備一維硅納米結(jié)構(gòu)的方法，通過對(duì)具有柱狀微結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜進(jìn)行化學(xué)刻蝕，獲得在光纖表面的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列。所述方法在清潔的石英光纖纖芯表面沉積非晶硅薄膜；然后對(duì)非晶硅進(jìn)行高溫退火，得到具有柱狀微結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，并使部分柱晶分離；以HF酸加H2O2腐蝕溶液對(duì)多晶硅薄膜進(jìn)行化學(xué)刻蝕，優(yōu)先腐蝕掉柱晶之間的多孔界面層，使得柱晶之間進(jìn)一步分離，并減小柱晶的尺寸，從而獲得硅納米線陣列；進(jìn)一步的刻蝕導(dǎo)致柱晶從光纖表面脫離，留下下層的錐形納米結(jié)構(gòu)陣列。本制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，可以制備出分層的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列，能夠?qū){米線的長(zhǎng)度、直徑、摻雜類型及水平等實(shí)現(xiàn)有效控制，并且通過光纖盤繞或管式沉積設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖上一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備，甚至允許卷到卷的制備過程。
【專利說明】一種在光纖表面制備一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一維硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，尤其是涉及在光纖上的錐形納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，屬于納米材料制備與應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]一維的硅納米結(jié)構(gòu)如硅納米線以其優(yōu)異的性質(zhì)和良好的工藝兼容性引起人們的廣泛關(guān)注，在先進(jìn)電子器件、生物與化學(xué)傳感器、光電子器件，以及光伏器件等方面有著巨大的應(yīng)力前景。光纖作為一種新的柔性襯底可以使電子功能延伸到數(shù)米甚至數(shù)千米的距離，并且可以編織成大的二維或者三維的結(jié)構(gòu)。此外，利用受抑全反射可以使光纖中傳輸?shù)墓馀c直接制備在纖芯表面上的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生多次相互作用，進(jìn)而激發(fā)諸如光伏、表面等離激元等多種效應(yīng)。將納米線與光纖兩者結(jié)合，將有望構(gòu)筑具有遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、分布式傳感能力的光纖傳感器，或者編織成大面積的器件，應(yīng)用于如太陽電池、平面顯示等領(lǐng)域。由于光纖的特殊幾何結(jié)構(gòu)，目前常規(guī)的納米結(jié)構(gòu)制備方法很難直接轉(zhuǎn)移到光纖上。盡管傾斜角沉積可以在光纖上制備不同材料的納米棒陣列，但是這種方法很難制備高長(zhǎng)徑比的納米線，而且也難以在長(zhǎng)距離光纖上制備納米結(jié)構(gòu)。
[0003]雙氧水可以在硅表面附近被還原，產(chǎn)生帶正電的空穴，這些空穴被注入到硅的價(jià)帶，使得硅被氧化，再利用氫氟酸將氧化的硅腐蝕掉，這種連續(xù)的過程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅的各向同性的腐蝕。多晶硅通常具有柱狀的微結(jié)構(gòu)，柱晶之間為多孔的界面區(qū)。腐蝕溶液對(duì)多孔界面區(qū)的刻蝕速率遠(yuǎn)大于對(duì)柱晶的刻蝕速率。本發(fā)明正是基于這樣的技術(shù)背景提出的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種在光纖上制備一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的方法。
[0005]本發(fā)明利用多晶硅的柱狀結(jié)構(gòu)，提出了一種通過化學(xué)刻蝕多晶硅的多孔界面獲得硅納米線陣列的方法。本方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，制備的硅納米結(jié)構(gòu)具有分層結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度均一可控。而且，本方法可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖上納米結(jié)構(gòu)的制備，甚至允許卷到卷(Roll-to-roll)的制備過程。
[0006]本發(fā)明提出一種在光纖表面制備一維硅納米結(jié)構(gòu)的方法，所述方法步驟如下:
(1)光纖清洗，利用丙酮去除光纖表面聚合物包層；
(2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在光纖纖芯表面沉積非晶硅薄膜；
(3)對(duì)非晶硅薄膜進(jìn)行高溫真空退火，得到多晶硅薄膜；
(4)利用H202+HF+H20溶液對(duì)光纖表面的多晶硅進(jìn)行刻蝕，得到一維納米結(jié)構(gòu)陣列；
(5)對(duì)制備好的樣品進(jìn)行清洗、干燥處理。
[0007]在上述硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法中，所述步驟I所使用的光纖為石英光纖。
[0008]在上述硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法中，所述步驟2光纖懸于襯底托盤附近，平行于襯底托盤放置。非晶硅的沉積采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，電源采用射頻或甚高頻。反應(yīng)氣體為硅烷(或加入適量的氫氣稀釋)，沉積時(shí)間視所需厚度而定。[0009]在上述硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法中，所述步驟3退火溫度為700 -1IOO0C，退火時(shí)間40 - 100分鐘，也可通往惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。
[0010]在上述硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法中，所述步驟4刻蝕溶液的配比為4.4M:0.1M(HF:H202)，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時(shí)間5 — 60分鐘。
[0011]非晶硅具有柱狀的微結(jié)構(gòu)，柱體之間為多孔的界面區(qū)，當(dāng)沉積在光纖表面時(shí)，這些柱體呈反錐形結(jié)構(gòu)，并嵌入在下層的錐形陣列中。高溫退火使得這些非晶柱體結(jié)晶形成柱晶，由于晶硅的密度大于非晶硅，結(jié)晶使得柱體致密化，導(dǎo)致部分柱晶分開，形成分布在薄膜表面的裂縫?？涛g溶液對(duì)裂縫及多孔界面區(qū)有更快的刻蝕速率，從而優(yōu)先地刻蝕掉柱晶之間的界面區(qū)，形成反錐形納米線陣列。長(zhǎng)的刻蝕時(shí)間會(huì)進(jìn)一步刻蝕掉柱晶與下層錐形結(jié)構(gòu)之間的界面區(qū)，導(dǎo)致反錐形納米線的脫離，在光纖表面留下錐形納米結(jié)構(gòu)陣列。硅納米線尺寸主要由薄膜中柱晶的尺寸決定，并可通過刻蝕溶液的各向同性腐蝕來調(diào)節(jié)。而通過控制薄膜制備條件尤其是成核密度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柱晶結(jié)構(gòu)的控制。本發(fā)明所述方法可以制備出分層的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列，能夠有效控制納米線的高度及直徑分布等，并可通過薄膜摻雜獲得不同導(dǎo)電類型的硅納米線及納米錐。本方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。將光纖盤繞或者利用管式的沉積設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖上納米結(jié)構(gòu)的制備，甚至允許卷到卷的制備過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖1為本發(fā)明所述方法的步驟示意圖；
附圖2為采用本發(fā)明所述方法制備得到的硅納米結(jié)構(gòu)陣列的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下參照附圖1詳細(xì)說明本發(fā)明所述方法的具體步驟:
(I)將石英光纖置于丙酮中浸泡，去除聚合物包層。進(jìn)一步地采用乙醇、去離子水對(duì)光纖進(jìn)行清洗。
[0014](2)將清洗吹干的光纖置于等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)腔體內(nèi)，平行地懸掛于襯底托盤附近。在光纖上沉積一層厚度為數(shù)微米的非晶硅。電源采用射頻或甚高頻，功率密度為50 — 100 mW/cm2。襯底托盤不加熱。反應(yīng)氣體為娃燒(或加入適量的氫氣稀釋)，也可摻入適量的摻雜氣體，如磷烷或乙硼烷等。
[0015](3)對(duì)沉積在光纖上的非晶硅進(jìn)行高溫退火得到多晶硅，退火溫度為700 -1100°C，退火時(shí)間40 - 100分鐘，也可通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，得到具有柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅，柱晶之間為多孔的界面區(qū)，柱晶嵌入在下層的錐形納米結(jié)構(gòu)中(附圖la)。
[0016](4)將退火得到的多晶硅樣品浸入2 — 5 M HF加0.1 — 0.5 M H2O2溶液中在常溫下進(jìn)行化學(xué)刻蝕，也可在30 - 80°C下進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間5 - 100分鐘。化學(xué)刻蝕優(yōu)先地腐蝕掉柱晶之間的多孔界面區(qū)，同時(shí)減小柱晶的尺寸，得到反錐形的納米線陣列(附圖lb)。進(jìn)一步地延長(zhǎng)刻蝕時(shí)間會(huì)導(dǎo)致納米線陣列從表面剝離，留下錐形的納米結(jié)構(gòu)陣列(附圖lc)。也可采用HNO3加HF酸進(jìn)行刻蝕。
[0017](5)用去離子水反復(fù)沖洗樣品并干燥，獲得一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列。附圖2為采用本發(fā)明所述方法的實(shí)施效果。附圖2中，(a)光纖表面上的硅納米線陣列；(b)放大的陣列表面；(C)陣列的剖面圖，可以清楚看出反錐形的納米線嵌入在下層的錐形納米結(jié)構(gòu)中；(d)硅納米線脫離后留下的錐形納米結(jié)構(gòu)陣列。
【權(quán)利要求】
1.一種在光纖表面制備一維娃納米結(jié)構(gòu)陣列的方法，其特征在于:該方法直接對(duì)光纖表面的具有柱狀微結(jié)構(gòu)的多晶硅進(jìn)行化學(xué)刻蝕，所述方法按如下步驟進(jìn)行: (1)光纖清洗，利用丙酮去除光纖表面聚合物包層； (2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在光纖纖芯表面沉積非晶硅薄膜； (3)對(duì)非晶硅薄膜進(jìn)行高溫真空退火，得到多晶硅薄膜； (4)利用H202+HF+H20溶液對(duì)光纖表面的多晶硅進(jìn)行刻蝕，得到一維納米結(jié)構(gòu)陣列； (5)對(duì)制備好的樣品進(jìn)行清洗、干燥處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟I所使用的光纖為石英光纖，或者是石英管，或者是其它材質(zhì)的纖維或管，也可以是其它具有一定曲率半徑的襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟2光纖懸于襯底托盤附近，平行于襯底托盤放置，非晶硅的沉積采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，電源采用射頻或甚高頻，反應(yīng)氣體為硅烷或氯硅烷(或加入適量的氫氣稀釋)，也可摻入適量的摻雜氣體，沉積時(shí)間視所需厚度而定，也可采用其它類型的設(shè)備沉積非晶硅薄膜，如低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)、常壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，或?yàn)R射等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟3退火溫度為700 - 1100°C，退火時(shí)間40 - 100分鐘，也可通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維硅納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟4氫氟酸濃度為2 — 5mol/L,雙氧水濃度為0.1 — 0.5mol/L,刻蝕溫度為常溫,也可在30 —80°C下進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間5 - 100分鐘，也可采用HNO3加HF酸溶液進(jìn)行化學(xué)刻蝕。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK103708413SQ201310733552
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】左則文 申請(qǐng)人:安徽師范大學(xué)