一种硅纳米线上无电沉积镍技术，制备步骤为：１）基于ＭＥＭＳ工艺的电化学腐蚀硅纳米线阵列制作过程（ａ）电阻率为０．０５Ωｃｍ的Ｐ型硅衬底，切割成１．５ｃｍ×１ｃｍ规格，按照标准ＲＡＣ程序清洗硅片；（ｂ）在３５ｍＭ的Ａｇ ＮＯ３和２０％ＨＦ的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线阵列；２）深多孔硅采用电化学刻蚀（ａ）４０％ＨＦ与无水乙醇体积比１∶０．８混合，－２０℃下分别采用４０、８０ｍＡ／ｃｍ↑［２］电流密度每隔３０ｓ一个周期刻蚀２ｈ；（ｂ） 刻好后的多孔硅在ＲＴＡ系统中６００℃下快速退火２分钟，然后利用电子束蒸发在多孔硅表面蒸镀金属铝薄膜作为热电功率器件的阳极；３）硅纳米线无电镀镍沉积（ａ）首先将硅纳米线在浸润剂中预处理１ｍｉｎ，然后放入无电镀液中在８０℃水浴下 反应３０ｍｉｎ；（ｂ）将镀好镍的硅纳米线用８０℃左右去离子水清洗，１３０℃下烘干，然后在ＲＴＡ系统中３５０℃快速热退火３０ｓ，得到镍薄膜的硅纳米线阵列。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种热电功率转换器件的研究，具体为一种基于硅纳米线上无电沉积镍技术 的热电功率器件制作，属微纳热电功率转换
技术介绍
随着MEMS微纳米加工技术的不断发展，与集成电路工艺兼容的可集成片上微纳热电功 率转换电源已经成为人们研究的热点。具有低成本、高能量密度、微型化、使用寿命长、安 全性能好等优点的全新绿色能源是科研人员追求的目标，尤其是利用生物体与周围空间的温 度梯度场以及其他热机废热或太阳能与环境温差来发电对人们来说一直是一种技术上的挑 战。己有报道的热电功率材料因体积庞大，或者制作工艺复杂、或者材料昂贵等因素，难以 大范围应用。虽然体硅材料不具备热电性质，但是直径约50nm的硅纳米线就可以使其热导 率比体硅减小100倍，而且其比表面积相比体硅有十几个数量级的增大，所以基于硅纳米线 和金属材料的复合纳米结构可能具有制作较高热电优值(ZT)热电功率器件的潜力。这里的 ZT是热电效率的衡量标准，它是材料Seebeck系数S、电导率cr、热导率r和绝对温度T的 函数，即Z7^^:。由于优化其中一个物理参数通常会对另一个参数起相反作用的影响，所以导致ZT的最大化受到了极大的挑战，在过去的50年里，人们才把参数ZT的值提高到1 以上。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的旨在提供一种硅纳米线上无电沉积镍技术以及基于这种技术的热电功 率器件，以弥补在这二领域上的技术空白。本专利技术的目的可以通过一下技术方案来实现一种硅纳米线上无电沉积镍技术，制备步骤为1 )基于MEMS工艺的电化学腐蚀硅纳米线阵列制作过程(a) P型硅(电阻率约0.05Qcm)衬底，切割成1.5cmX lcm规格，按照标准RAC程序清洗硅片；(b)在35mM AgN03和20%HF超生后的混合溶液中刻蚀，得到SiNWs (硅纳米线)阵列。其SiNWs的SEM图片如图la、图lb和图lc所示，图中显示了所制得的硅纳米线结构 整齐，孔隙率均匀，纳米线高度约100pm，直径约50-150nm，有较大长径比。2) 深多孔硅采用电化学刻蚀(a) 40% HF与无水乙醇体积比1 : 0.8混合，-20°。下分别采用40、 80mA/cm2电流密度 每隔30s —个周期刻蚀2h;(b) 刻好后的多孔硅在RTA系统中60(TC下快速退火2分钟坚膜，然后利用电子束蒸发 在多孔硅表面蒸镀金属铝薄膜作为热电功率器件的阳极。该多孔硅微观结构如图2a和图2b所示。其孔径约5pm，深250pm，有较高深宽比。有 较好的热绝缘性能。3) 硅纳米线无电镀镍沉积(a) 首先将硅纳米线在浸润剂中预处理lmin，然后放入无电镀液中在80'C水浴下反应 30min。(b) 将镀好镍的硅纳米线用8(TC左右去离子水清洗，13(TC下烘干，然后在RTA系统中350 'C快速热退火30s，得到镍薄膜的硅纳米线阵列。所述的无电镀液的组成和配比镍源为NiS04 6H20 O.lmol，缓冲剂为(NH4)S040.05mol，还原剂为NH4F 0.25 mol，钳合剂为拧檬酸Sodium citrate 0.02 mol。称量好的药品放入烧杯中用100ml去离子水超声溶解.30min。所述的无电镀液的PH值为8.5-9.5，通过滴入浓氨水(28%)调节。 所述的浸润剂为十二垸基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)溶液，其浓度为10mg/L 沉积好镍薄膜的硅纳米线阵列见图3a、图3b和图3c;可以看到硅纳米线表面被均匀地沉积了一薄层金属镍；纳米尺度的镍-P型硅接触为欧姆接触，该结构理论上有较高的热电子发射能力；硅纳米线无电镀镍之镍的分布情况见图4a、图4b和图4c，该EDS能谱图显示硅纳米线 阵列金属镍薄膜的沉积量在中部上端、顶端、底部逐渐减小。基于上述技术制备的镍硅纳米复合结构的热电功率器件，由上至下依次为镍层、硅纳 米线层、体硅层、多孔硅层和铝镀层，其中镍层为高温层、铝镀层为低温层，在镍层和铝镀 层分别设有一电极，其结构模型如图5所示。Ni-SiNWS结构面由于纳米尺度的量子效应以及大的比表面积和纳米线的长径比，镍薄层纳米化后又更强的表面活性，该结构具有良好的热 电子发射能力，假设温度梯度由该表面向铝镀层面降低，则热电子首先由该结构面处进入体 硅，然后进入深多孔硅层(此结构有较低的热导率)，继而越过铝硅肖特基势垒(提高温差电 动势)进入铝镀层，最后对外电路做功又循环回到高温表面。该热电功率器件的输出功率与器件两侧温差关系见图6，该测试结果显示本专利技术有较高 的热电功率输出，有巨大的潜在应用价值。该热电器件主要特征是1、 本专利技术制作工艺与MEMS工艺兼容，主要采用电化学刻蚀方法，成本低，操作简单， 实现容易。主要是在体硅材料上室温下合成硅纳米线阵列，其纳米线平均高度约30nm,平均 直径约40nm;此举减小了材料的热导率和温度扩散系数，增强了硅纳米线的量子尺寸效应， 提高了热电子发射能力；2、 在硅纳米线上通过无电镀镍技术坏积纳米级镍薄膜，此时镍与硅形成良好的欧姆接触， 进一步增强了热电发射能力，减小了该热电结构的内阻；无电镀液为无磷配方，避免了磷与 镍形成合金从而减小热电发射效率。3、 在硅片的另一面刻蚀200pm左右深多孔硅，并在其表面蒸镀铝薄膜，此结构由于具 有较大的比表面积和深宽比，进一步增加材料的绝热性，同时在铝硅接触面产生肖特基势垒 增加了该热电结构的温差电动势。附图说明.图la、图lb和图lc依次为本专利技术的制作的硅纳米线的SEM照片的顶视图、侧视图和 纵向截面图2a和图2b依次为热电功率器件背底深多孔硅SEM照片顶视图和截面图； 图3a、图3b和图3c依次为是本专利技术中硅纳米线阵列无电镀镍后的SEM照片的顶视图、 侧视图和纵向截面图4a、图4b和图4c依次为硅纳米线阵列无电镀镍后镍在硅纳米线顶部、底部和中部的 能谱分析结果；图5为热电功率器件结构示意图6是热电功率器件功率输出与温差关系；具体实施方式下面结合附图与具体实施例进一步阐述本专利技术的技术特点。1、硅纳米线上无电沉积镍技术 实施例11) 基于MEMS工艺的电化学腐蚀硅纳米线阵列制作过程(a) P型硅(电阻率约0.05Qcm)衬底，切割成1.5cmX lcm规格，按照标准RAC程序清 洗硅片；(b) 在30mM AgN03和20%HF超生后的混合溶液中刻蚀30min，得到SiNWs (硅纳米 线)阵列。2) 深多孔硅采用电化学刻蚀(a) 40%HF与无水乙醇体积比1 : 0.8混合，-2(TC下分别采用40、 80mA/cm2电流密度每 隔30s —个周期刻蚀2h;(b) 刻好后的多孔硅在RTA系统中600'C氩气保护下快速退火2分钟坚膜，然后利用电 子束蒸发在多孔硅表面蒸镀金属铝薄膜作为热电功率器件的阳极。3) 硅纳米线无电镀镍沉积(a) 首先将硅纳米线在浓度为10mg/L的十二烷基硫酸钠中预处理lmin，然后放入PH值 为8.5无电镀液中在80。C水浴下反应30min (PH值由28%浓氨水调节)。(b) 将镀好镍的硅纳米线用8(TC左右去离子水清洗，13(TC下烘干，然后在RTA系统中于 35(TC下快速热退火30s，得到镍薄膜的硅纳米线阵列。实施例21) 基于MEMS工艺的电化学腐蚀本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种硅纳米线上无电沉积镍技术，制备步骤为：１）基于ＭＥＭＳ工艺的电化学腐蚀硅纳米线阵列制作过程（ａ）电阻率为０．０５Ωｃｍ的Ｐ型硅衬底，切割成１．５ｃｍ×１ｃｍ规格，按照标准ＲＡＣ程序清洗硅片；（ｂ）在３５ｍＭ的ＡｇＮＯ３和２０％ＨＦ的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线阵列；２）深多孔硅采用电化学刻蚀（ａ）４０％ＨＦ与无水乙醇体积比１∶０．８混合，－２０℃下分别采用４０、８０ｍＡ／ｃｍ↑［２］电流密度每隔３０ｓ一个周期刻蚀２ｈ；（ｂ）刻好后的多孔硅在ＲＴＡ系统中６００℃下快速退火２分钟，然后利用电子束蒸发在多孔硅表面蒸镀金属铝薄膜作为热电功率器件的阳极；３）硅纳米线无电镀镍沉积（ａ）首先将硅纳米线在浸润剂中预处理１ｍｉｎ，然后放入无电镀液中在８０℃水浴下反应３０ｍｉｎ；（ｂ）将镀好镍的硅纳米线用８０℃左右去离子水清洗，１３０℃下烘干，然后在ＲＴＡ系统中３５０℃快速热退火３０ｓ，得到镍薄膜的硅纳米线阵列。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陶佰睿，苗凤娟，李辉麟，万丽娟，张健，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：31
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