一种高精度纳米硅材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高精度纳米硅材料的制备方法，包括以下步骤：将洁净硅片浸入氯金酸和氢氟酸混合而成的镀液中，在硅片表面沉积一层金纳米薄膜；取出沉积完成后的硅片，用去离子水清洗干净残留液，用氮气吹干得到镀金硅片；将镀金硅片浸入由氢氟酸和硝酸铁混合而成的腐蚀液中，刻蚀得到纳米硅材料。本发明专利技术所提供的制备方法，简单易操作，实用性强；该制备方法解决了金属颗粒在催化刻蚀纳米硅过程中在腐蚀液中稳定性不佳的问题，大大提高了纳米硅材料的精度，为高精度纳米材料的制备提供了一种技术手段，推动了纳米硅材料在电子器件等领域的研究和产业化的进一步发展。域的研究和产业化的进一步发展。域的研究和产业化的进一步发展。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度纳米硅材料的制备方法


[0001]本专利技术属于微纳米材料
，涉及一种纳米硅材料的制备方法。

技术介绍

[0002]硅微纳米结构由于其独特的性质在光电转换存储器件、热电器件、锂离子电池、生物检测技术等方面有很大的应用前景。大规模低成本的制备硅纳米结构对于硅纳米结构功能器件的商业化至关重要。
[0003]近年来围绕硅纳米结构的制备，发展了很多技术手段，但是都无法回避高温、超高真空等较为苛刻的反应条件，而且对实验设备的要求也较高。公开号为CN1944250A的专利技术专利，采用在温度1050
‑
1250℃，腔内压强4500Pa条件下的石英管式炉中制备硅纳米线。公开号为CN105529242A的专利技术专利，采用在温度200
‑
500℃，氢气等离子体的PECVD系统腔内制备单晶硅纳米线。而近年来提出的无电腐蚀技术是一种在常温常压条件就能实施的技术手段，相较于光刻法、离子刻蚀法、激光烧灼法的方法制备纳米硅材料，采用金属催化刻蚀制备纳米硅材料，技术简单易操作，如公开号为CN108597986A、CN104409322A、CN103553046A的专利技术专利中均有提及，但是所采用的金属催化刻蚀纳米硅材料的制备方法中，反应过程中的金属颗粒并不是一成不变的，在金属催化刻蚀纳米硅过程中，金属颗粒在腐蚀液中自身不能稳定存在，同时存在氧化溶解和还原沉积这两种反应，而这种金属颗粒的不稳定性会使制备的纳米硅材料的精度得不到保证，使得纳米硅材料在电子器件中应用时，产品产生缺陷，特别是该纳米硅材料应用于制备硅微通道板、微透镜、纳米光栅和纳米凸点阵列等精密仪器时，会使电子器件产品性能出现较大误差，造成电子器件产品质量下降。

技术实现思路

[0004]为解决
技术介绍
中所述的问题，本专利技术提供了一种高精度纳米硅材料的制备方法。
[0005]该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、金纳米薄膜的沉积：将洁净硅片浸入氯金酸和氢氟酸混合而成的镀液中，在硅片表面沉积一层金纳米薄膜；
[0007]步骤二、镀金硅片的清洁：取出沉积完成后的硅片，用去离子水清洗干净残留液，用氮气吹干得到镀金硅片；
[0008]步骤三、纳米硅材料的制备：将镀金硅片浸入由氢氟酸和硝酸铁混合而成的腐蚀液中，刻蚀得到纳米硅材料。
[0009]进一步地，所述的步骤一中，氯金酸浓度为0.01
‑
0.2mol/L，氢氟酸的浓度为1
‑
10mol/L。氯金酸和氢氟酸的浓度过高或过低都会影响金纳米颗粒在硅片表面的成膜均匀性。
[0010]更进一步地，所述的步骤一中，洁净硅片浸入镀液中的时间为1
‑
4min。硅片在镀液
中的时间过长或过短都会对金纳米颗粒的成膜厚度以及最终制备的纳米硅材料的形貌产生影响。
[0011]进一步地，所述的步骤三中，氢氟酸的浓度为1
‑
5mol/L，硝酸铁的浓度为0.1
‑
2mol/L。氢氟酸和硝酸铁的浓度过高或过低都会对制备得到的纳米硅材料的形貌以及金属颗粒在腐蚀体系中的稳定性产生影响。
[0012]更进一步地，所述的步骤三中，反应温度为10
‑
80℃，反应时间为0.5
‑
5h。反应温度太低会降低刻蚀速率，影响刻蚀效果，反应温度太高则会对破坏纳米硅材料的形貌和结构；反应时间过短，会导致刻蚀不完全，反应时间过长则影响刻蚀效率。
[0013]本专利技术与现有技术相比，先通过在硅片表面沉积一层金纳米薄膜，然后再通过无电化学腐蚀法在氢氟酸和硝酸铁腐蚀溶液体系中刻蚀制备纳米硅材料。当硅片浸入氯金酸和氢氟酸混合而成镀液中时，由于金离子具有氧化性，可从硅原子处得到一个电子，从而金离子被还原成金原子并聚集形成金颗粒，金颗粒在硅片表面长大聚集，形成金纳米薄膜覆盖在其表面得到镀金硅片，同时硅原子失去电子变成二氧化硅，二氧化硅在氢氟酸溶液中很快被溶解掉；镀金硅片浸入硝酸铁和氢氟酸混合而成的腐蚀液中，在金纳米颗粒的催化作用下，硝酸根和三价铁离子共同向硅原子注入空穴，硅被氧化成二氧化硅，随即二氧化硅被氢氟酸溶解，随着硅不断氧化和溶解，剩下的部分就形成了规整的纳米线结构阵列。在纳米硅材料的制备过程中，金纳米颗粒在氢氟酸和硝酸铁酸性腐蚀液体系中很稳定，没有发生溶解行为，保证了纳米硅材料的高精度。
[0014]本专利技术所提供的制备方法，简单易操作，实用性强；该制备方法解决了金属颗粒在催化刻蚀纳米硅过程中在腐蚀液中保真度较低的问题，提高了刻蚀的精确度和效率，大大提高了纳米硅材料的精度，为高精度纳米材料的制备提供了一种技术手段，所制备的高精度纳米材料可应用于硅微通道板、微透镜、纳米光栅和纳米凸点阵列等精密仪器，推动了纳米硅材料在电子器件等领域的研究和产业化的进一步发展。
附图说明
[0015]图1为半镀银硅片完全浸入H2O2/HF溶液中腐蚀后的SEM形貌图。图1(a)为腐蚀后分界线处SEM形貌图；图1(b)为镀银一侧硅片腐蚀后SEM截面图；图1(c)为未镀银一侧硅片腐蚀后SEM截面图。
[0016]图2为半镀银硅片在H2O2/HF腐蚀液中反应过程中银纳米颗粒演变行为机制示意图。
[0017]图3为本专利技术制备的纳米硅材料完全浸入Fe(NO3)3/HF溶液中腐蚀后的SEM图，图3(a)为腐蚀后分界线处SEM形貌图；图3(b)为镀金一侧硅片腐蚀后SEM截面图；图3(c)为未镀金一侧硅片腐蚀后SEM俯视图。
[0018]图4为金、银纳米颗粒在含氧化剂的氢氟酸溶液体系中的演变行为机制图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图详细说明本专利技术的实施情况，但它们并不构成对本专利技术的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本专利技术的优点。本领域的普通的技术人员能从本专利技术公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本专利技术的保护范围。实施
例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
[0020]实施例1
[0021]配制由0.05mol/L氯金酸溶液和6.1mol/L氢氟酸混合而成的镀液，将已清洁好的硅片浸入上述混合而成的镀液中1min，取出用去离子水清洗干净残留液后用氮气吹干，硅片表面沉积一层金纳米薄膜得到镀金硅片。
[0022]配制由0.17mol/L硝酸铁溶液和4.9mol/L氢氟酸混合而成的腐蚀原液，加入聚四氟乙烯反应容器中，然后将上述镀金硅片浸入到腐蚀原液中，在60℃条件下反应0.7h得到纳米硅材料。
[0023]实施例2
[0024]配制由0.04mol/L氯金酸溶液和5.0mol/L氢氟酸混合而成的镀液，将已清洁好的硅片浸入上述混合而成的镀液中1.5min，取出用去离子水清洗干净残留液后用氮气吹干，硅片表面沉积一层金纳米薄膜得到镀金硅片。
[0025]配制由0.13mol/L硝酸铁溶液和4.6mol/L氢氟酸混合而成的腐蚀原液，加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度纳米硅材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、金纳米薄膜的沉积：将洁净硅片浸入氯金酸和氢氟酸混合而成的镀液中，在硅片表面沉积一层金纳米薄膜；步骤二、镀金硅片的清洁：取出沉积完成后的硅片，用去离子水清洗干净残留液，用氮气吹干得到镀金硅片；步骤三、纳米硅材料的制备：将镀金硅片浸入由氢氟酸和硝酸铁混合而成的腐蚀液中，刻蚀得到纳米硅材料。2.根据权利要求1所述的一种高精度纳米硅材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤一中，氯金酸浓度为0.01
‑
0.2mol/L，氢氟酸的浓度为1
‑
10mol/L。3.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍林，杨小于，胡雅，刘盈，张保国，廖致远，周义来，陈奡，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：