多孔和非多孔纳米结构制造技术

本发明专利技术公开了各种微米级和纳米级多孔及非多孔线状结构。例如，本发明专利技术公开的结构包含多孔物体，所述多孔物体包含：(i)第一区域；以及(ii)沿着所述物体的轴邻近所述第一区域的第二区域，其中所述第一区域具有至少一种不同于第二区域的孔性质。本发明专利技术还公开了包括以下内容的结构：(i)高电阻率硅；以及(ii)基本上垂直于该物体的轴的横截面。本发明专利技术还公开了制备和使用这种结构的方法。例如，本发明专利技术提供了通过以下步骤制备多孔物体的方法：(i)获得可蚀刻基片；(ii)在基片表面上形成图案化的多孔化辅助金属层，该金属层具有至少一个开口；以及(iii)随后使基片受第一蚀刻溶液和第二蚀刻溶液作用，分别形成多孔物体的第一区域和第二区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔和非多孔纳米结构相关申请的交叉参考本申请要求2010年3月9日提交的美国临时专利申请第61/282,627号的优先权，其全文通过引用纳入本文。关于联邦资助研究的声明本专利技术在政府支持下完成，资助号分别为：NNJO6HEO6A，由国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）提供；CA128797和CA122864，均由国家卫生研究院（NationalInstitutesofHealth）提供；W911NF-09-1-0044，由国防部高级研究计划署（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）提供；W81XWH-07-2-0101和W81XWH-09-1-0212，均由美国国防部提供。政府对本专利技术拥有某些权利。
技术介绍
多孔和非多孔纳米结构如硅基纳米结构在许多领域具有许多应用，包括在电光器件、传感器、太阳能电池、纳米线和药物递送中的应用。然而，目前的纳米结构在传导性、电阻、多孔性和高效制造方法方面仍有许多局限。因此，当前仍然需要开发更有效的纳米结构及其制备方法。
技术实现思路
在一些实施方式中，本专利技术提供了包含多孔物体的结构，所述多孔物体包含：(i)第一区域；以及(ii)沿着该物体的轴邻近所述第一区域的第二区域，其中所述第一区域至少有一种孔性质不同于所述第二区域的孔性质。这样的性质包括但不限于孔径、孔隙率和孔取向。所述多孔物体还具有基本上垂直于所述轴的横截面，其至少一个横向尺寸不超过5μm。此外，所述物体的纵横比不小于4。在一些实施方式中，本专利技术提供了包含多孔物体的结构，所述多孔物体包含：(i)高电阻率硅；以及(ii)基本上垂直于该物体的轴的横截面。此外，所述横截面的横向尺寸不超过5μm。另外，该物体的纵横比不小于4。在其他实施方式中，本专利技术提供了制备多孔物体的方法。所述方法一般包括：(i)获得可蚀刻基片；(ii)在基片表面上形成图案化的多孔化辅助金属层，所述金属层具有至少一个开口；以及(iii)随后使所述基片受蚀刻溶液作用。然后，蚀刻溶液将所述图案化的多孔化辅助层溶解，形成含金属的蚀刻溶液。然后，所述含金属的蚀刻溶液使基片的第一部分多孔化，并蚀刻出基片的第二部分，形成具有横截面的多孔物体，所述横截面由开口限定。在其他实施方式中，本专利技术提供了形成多孔物体的其他方法，所述方法包括：(i)获得可蚀刻半导体基片；(ii)在基片表面上沉积多孔化辅助金属；以及(iii)随后使基片受第一蚀刻溶液和第二蚀刻溶液作用，分别形成多孔物体的第一区域和第二区域。所述作用的结果是使蚀刻辅助金属溶解于所述第一和第二蚀刻溶液中的至少一种蚀刻溶液，形成含金属的蚀刻溶液，所述含金属的蚀刻溶液使基片的一部分多孔化。在所形成的物体中，第二区域沿着线的轴邻近第一区域，并至少有一种孔性质不同于第一区域的孔性质。这样的性质包括但不限于孔径、孔隙率和孔取向。本专利技术的其他实施方式提供了制备多孔物体的方法，所述方法包括：(i)获得电阻率高于0.02Ω·cm的硅晶片；(ii)在基片表面上沉积多孔化辅助金属；以及(iii)随后使基片受蚀刻溶液作用，形成多孔物体，所述蚀刻溶液包含有效浓度的HF和氧化剂。在其他实施方式中，本专利技术提供了制备多孔物体的其他方法，所述方法包括：(i)获得非多孔物体，所述非多孔物体具有基本上垂直于该物体的轴的横截面，其中该物体的横截面具有至少一个不超过5μm的横向尺寸，且该物体的纵横比至少为4；以及(ii)通过无电途径由所述非多孔物体形成多孔物体，所述无电途径包括使所述非多孔物体受多孔化溶液作用，所述多孔化溶液包含有效浓度的HF、氧化剂以及多孔化辅助金属离子和原子中的至少一种。本专利技术的另一个实施方式是一种包含多孔物体的结构，所述多孔物体具有轴和基本上垂直于所述轴的横截面。在这些实施方式中，所述横截面的横向尺寸不超过1μm。此外，所述物体的纵横比不小于2。本领域的普通技术人员会认识到，本专利技术的多孔结构和方法可具有许多应用。例如，本专利技术的方法可用来制造纳米线，如多层硅基纳米线。类似的，本专利技术的结构可具有许多应用，包括诸如药物递送载体、药物递送纳米针、条形码线和成像试剂之类的应用。附图说明为了说明实现本专利技术的上述及其他优点和目的的方式，下面结合附图所示的具体实施方式更详细地描述上文已作出简单描述的本专利技术。应理解，这些附图仅示出了本专利技术的典型实施方式，因此不应视为对其范围的限制，在此基础上，下面将利用附图更具体、更详细地描述本专利技术，其中：图1(a)-(f)涉及示例性多色多孔硅条形码型纳米线和纳米链。图1(a)显示了<0.005Ω-cm的多孔硅纳米链的扫描电镜图（即条形码纳米线、硅纳米线或SiNW），所述纳米链通过Ag辅助蚀刻得到（用0.05MH2O2蚀刻5分钟，然后用0.2MH2O2蚀刻1分钟，重复三次）。左图：合成纳米链的横向概图，显示了高孔隙率和低孔隙率链节的交替。右图：单纳米链的高-低孔隙率转变的近视图（比例尺是100nm）。图1(b)显示了多孔SiNW的共焦显微图像；从上到下：<0.005Ω-cm0.1MH2O2多孔SiNW的明视场图像；同一纳米线在500nm处的荧光图像；<0.005Ω-cm0.05M/0.2MH2O2多孔硅纳米链在500nm波长处的荧光图像；同一纳米链的明视场图像。图1(c)显示了多孔SiNW在异丙醇中的光致发光光谱。对应于0.05M/0.2MH2O2纳米链的光致发光光谱与0.05MH2O2和0.2MH2O2谱叠加得到的光谱吻合得很好。初始样品浓度未知。因此，该光谱已按比例调整（90%的初始0.05MH2O2，50%的初始0.2MH2O2），以最大程度减小纳米链与叠加谱之间的绝对值残差。用聚苯乙烯珠作为阴性对照，并用来减去背景。图1(d)显示了0.05M/0.2MH2O2纳米链的反射显微图像，显示了与每个链节相关的不同颜色。图1(e)显示了0.05M/0.2MH2O2纳米链的共焦显微图像，该纳米链负载有在458nm激发的Q点。从上到下：560nm处的荧光信号，630nm处的荧光信号，明视场信号，叠加。图1(f)显示了负载Q点的0.05M/0.2MH2O2纳米链的光致发光光谱，显示了560nm和633nm处与Q点相关的峰。图2显示了用BJH模型测量孔径的结果。孔径和孔隙率随H2O2浓度的增加而增大。在0.1MH2O2中（上）和0.2MH2O2中（下）合成的<0.005Ω-cm多孔硅纳米线的N2吸附/脱附等温线用BJH模型测得的孔径从6.1nm增至11.4nm，同时通过BET测得的孔隙率从47%增至66%。图3显示了在0.05MH2O2,2.9MHF和0.2MH2O2,2.9MHF中蚀刻的<0.005Ω-cm多孔硅纳米链的扫描电镜图（上图）和吸收光谱（下图）。图4(a)-(d)是纳米图案化多孔硅结构的扫描电镜图。图4(a)是400nmx2000nm、间距为600nm的光刻图案。图4(b)是直径为600nm、间距为1400nm的光刻图案。图4(c)是通过直径为130nm、间距为30nm的模板掩模在硅上沉积的厚度为20nm的电子束蒸发Ag膜。图4(d)是图4(c)所示图案在0.05MH2O2中进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.09 US 61/282,6271.一种包含多孔物体的结构，所述多孔物体包含：(i)第一区域；以及(ii)沿着所述物体的轴邻近所述第一区域的第二区域，其中所述第一区域具有至少一种不同于所述第二区域的孔性质，所述性质选自孔径、孔隙率和孔取向，以及其中所述物体具有垂直于所述轴的横截面，所述横截面具有至少一个不超过5μm的横向尺寸，所述物体的纵横比不小于4。2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述多孔物体是多孔半导体。3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，所述多孔物体是硅多孔线、条带或带。4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述物体的横截面具有至少一个不超过1μm的横向尺寸。5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述物体的横向尺寸不超过500nm。6.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述物体的纵横比不小于10。7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述物体的纵横比不小于20。8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域各自是多孔区域。9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一区域的孔径和所述第二区域的孔径各自小于100nm。10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一区域的孔径不同于所述第二区域的孔径。11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一区域与所述第二区域之间的转变区域沿着所述物体的轴的长度小于10nm。12.如权利要求1所述的结构，其特征在于，在所述第一区域的孔内包含第一填充物。13.如权利要求12所述的结构，其特征在于，所述第一填充物包含纳米粒子。14.如权利要求13所述的结构，其特征在于，所述纳米粒子包含量子点。15.如权利要求12所述的结构，其特征在于，还在所述第二区域的孔内包含第二填充物。16.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域中的至少一个区域是可生物降解区域。17.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述物体是可生物降解物体。18.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述结构还包含多孔物体阵列，每个物体包含：(i)第一区域；以及(ii)沿着所述物体的轴邻近所述第一区域的第二区域，其中所述第一区域具有至少一种不同于所述第二区域的孔性质，所述性质选自孔径、孔隙率和孔取向。19.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述物体的横截面具有矩形形状或圆形形状。20.一种形成多孔物体的方法，包括：(i)获得可蚀刻半导体基片；(ii)在所述基片表面上沉积多孔化辅助金属；以及(iii)随后使所述基片受第一蚀刻溶液和第二蚀刻溶液作用，分别形成多孔物体的第一区域和第二区域，其中所述受蚀刻溶液作用的步骤使所述蚀刻辅助金属溶解于所述第一和第二蚀刻溶液当中的至少一种蚀刻溶液里，形成含金属的蚀刻溶液，其中所述含金属的蚀刻溶液使所述基片的一部分多孔化，以及其中所述第二区域沿着所述物体的轴邻近所述第一区域，并具有至少一种不同于所述第一区域的孔性质，其中所述性质选自孔径、孔隙率和孔取向。21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基片是硅基片。22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述硅基片的电阻率大于0.02Ω·cm。23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述沉积多孔化辅助金属的步骤通过无电化学方法进行。24.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·费拉里，X·刘，C·基亚皮尼，J·R·法侯瑞，
申请(专利权)人：得克萨斯州大学系统董事会，
类型：
国别省市：