由冶金级硅或精炼冶金级硅制造基于硅的纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术涉及通过基材(7)的电化学蚀刻来制造基于硅的纳米颗粒的方法，特征在于所述基材由冶金级硅或精炼冶金级硅制成，所述基材具有大于0.01%的杂质含量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由冶金级硅或精炼冶金级硅制造基于硅的纳米颗粒的方法
本专利技术涉及基于硅的纳米粉末/纳米颗粒的制造。这样的基于硅的纳米粉末/纳米颗粒可具有不同的应用。例如，它们用于如下领域：伪造领域，作为用于物品的标记的鉴别手段；能量领域，用于氢气的储存和生产；或者光电领域，用于制造第三代太阳能电池。
技术介绍
已知通过硅基材的化学或电化学蚀刻来制造基于硅的纳米结构体的不同方法。文献[G.Korotcenkov,B.K.Cho,Crit.Rev.SolidState&Mat.Sci.,第35卷,2010,第153-260页]描述了用于制造基于硅的纳米结构体的方法的实例。用于制造硅纳米颗粒的方法的实例包括引入投到具有设置于其中的阳极和阴极的氢氟酸浴中的单晶硅晶片。施加电流并发生化学反应，这导致在该硅基材中形成孔隙。同时，硅纳米结构体发生氢化。然后，对该孔隙化的基材进行充分研磨以收取氢化的纳米粉末。例如，热活化或者归因于水的氧化反应能够释放出所述纳米粉末中包含的氢。但是，本领域技术人员可列出前述方法中的若干局限：-第一个局限涉及纳米结构体制造方法的相对高的能量消耗，-第二个局限涉及释放氢气所必需的显著量的能量。本专利技术目的在于减小所述方法的能量消耗且因此提高用于制造基于硅的纳米颗粒的方法的成本有效性并降低释放纳米粉末中包含的氢以使得所述纳米粉末更有效所必需的活化能。
技术实现思路
为了该目的，本专利技术提供基于硅的纳米粉末的制造方法，特征在于其包括对包含大于10重量ppm的杂质含量的冶金级或高纯冶金级(upgradedmetallurgical-grade)Si的基材进行电化学蚀刻。例如，本专利技术可涉及通过基材的电化学蚀刻来制造基于硅的纳米颗粒的方法，值得注意的是所述基材得自冶金级或高纯冶金级硅，所述冶金级或高纯冶金级硅包含大于0.001%的杂质含量，所述杂质至少包含硼、磷、钙和铝。根据它们的杂质含量，可区分三种类型的基础硅(元素硅，elementarysilicon)：-冶金级或高纯冶金级硅，具有大于0.001%的杂质含量，-太阳能级硅，具有0.001%-0.000001%的杂质含量，和-微电子级硅，具有小于0.000001%的杂质含量。本专利技术提供冶金级或高纯冶金级硅在制造基于硅的纳米粉末中的用途。本专利技术人已经发现，由于在基材中存在能够降低基材阳极化电压的高的杂质浓度和结构缺陷密度，冶金级或高纯冶金级硅的使用能够降低制造纳米粉末所必需的能量的量。进一步地，冶金级或高纯冶金级硅的使用能够降低所述方法中的制造成本，冶金级或高纯冶金级硅比太阳能或微电子级硅便宜。根据本专利技术的方法具有以下优选的非限制性方面：-所述基材包含硼，所述硼的浓度大于或等于5重量ppm、优选大于50重量ppm；-所述杂质至少包含铝、铁、钙、磷和硼；-铝、铁、钙、磷和硼杂质的各自浓度为1-10000重量ppm；-所述基材包含：·掺杂杂质，例如硼、磷和铝，·金属杂质，例如铁、铜、钛、镍、铬和钨，·结构缺陷，例如位错和晶界，其密度大于104缺陷/cm2；-用于所述基材的电化学蚀刻的电流为脉冲电流；-用于所述基材的电化学蚀刻的电流密度为1mA/cm2-1A/cm2、优选1mA/cm2-500mA/cm2、优选1mA/cm2-250mA/cm2；-所述方法可进一步包括所述基材的背侧掺杂步骤，所述背侧掺杂步骤包括如下子步骤：·在基材背侧上沉积铝以获得包含铝层的基材，和·对所述包含铝层的基材进行退火；-所述铝层的厚度为10nm-10μm；-所述方法进一步包括在所述退火步骤后移除所述铝层的步骤；-所述方法进一步包括所述基材的前侧掺杂步骤，该步骤包括借助于产生光辐射的白光源照射所述基材的前侧。本专利技术人还已经发现，由于存在能够降低活化能的高的杂质浓度和高的结构缺陷密度，冶金级硅的使用能够降低释放源自该冶金级或高纯冶金级硅的纳米粉末中包含的氢所必需的能量的量。本专利技术还涉及包含大于10重量ppm的杂质含量(包含至少1重量ppm的硼、磷、铁、铝和钙)的基于硅的纳米粉末。通过本专利技术方法获得的基于硅的纳米粉末可与通过现有技术方法获得的纳米粉末区分，尤其通过更多种类型的杂质的存在、所述不同类型的杂质以更大的量存在而区分。根据本专利技术的基于硅的纳米粉末具有以下优选的非限制性方面：-硼浓度大于或等于5重量ppm、优选大于50重量ppm、且还更优选大于100重量ppm；-所述杂质至少包含铝、铁、钙、磷和硼；-所述纳米粉末可进一步包含以下杂质中的至少一种：钛、铬、铜、钼、镍、钒；-所述杂质以如下比例存在：·1-5000重量ppm、优选5-20重量ppm的铝量，·1-5000重量ppm、优选5-20重量ppm的钙量，·1-5000重量ppm、优选20-80重量ppm的铁量，·5-5000重量ppm、优选100-800重量ppm的硼量，·1-5000重量ppm、优选100-800重量ppm的磷量。本专利技术还涉及基于硅的纳米颗粒/纳米粉末(例如前文所述的基于硅的纳米颗粒/纳米粉末)在生产氢气中的用途。本专利技术人实际上已经发现，尽管纳米颗粒中所存在的杂质显著影响基于硅的纳米颗粒的机械性能、电性能以及其它性能，但是，基于硅的纳米颗粒对于氢的亲合性受到这样的杂质的存在的影响很小。相反地，它们甚至已经观察到，这些杂质的存在能够降低释放出氢气所必需的能量的量。本专利技术还涉及基于硅的纳米粉末，其由于存在更大浓度的杂质而具有低于用电子级或太阳能级硅获得的纳米粉末释放氢气所必需的能量的氢气释放能。附图说明本专利技术的其它特征和优点将结合附图(即图1-3)在以下特定实施例的非限制性描述中详细讨论，所述图1-3说明了由冶金级硅基材制造基于硅的纳米颗粒的方法的不同实例。具体实施方式1.纳米颗粒制造方法在地球上，硅不以其游离态天然存在，相反地，其以氧化物例如二氧化硅或硅酸盐的形式是非常丰富的。硅通过在电弧炉中的二氧化硅的碳热还原(即，通过冶金方法)获得，且其纯度水平取决于将在下游施用于其的纯化处理操作。可区分三个硅纯度水平：·在二氧化硅的碳热还原后直接获得的冶金级硅(称为“MG-Si”)(纯度为98-99.9%，即，杂质含量大于1000重量ppm。)·通常通过气相化学过程例如简化的西门子(Siemens)工艺由MG-Si获得的太阳能级硅(称为“SoG-Si”)(纯度大于99.9999%，即，杂质含量约1重量ppm)，·电子级硅(称为“EG-Si”)，其也通过气相化学过程获得，所述气相化学过程更为复杂以达到更高的纯度水平(99.9999999%纯度，即，杂质含量约1ppb)。还存在其它子等级的硅，例如，通过连续的冶金过程(炉渣精炼、离析等)由已经经历额外的纯化处理操作的冶金级硅获得的高纯冶金级硅(或“UMG-Si”)。这样的连续冶金过程提供纯度大于MG-Si且小于太阳能级Si(SoG)的纯度的硅。典型地，高纯冶金级硅具有约99.99%的纯度(即，杂质含量为约100重量ppm)、可能约99.999%的纯度(即，杂质含量约10重量ppm)。然后，将这样的冶金级或高纯冶金级硅成型为多晶锭(mc-Si)的形式。在通常由二氧化硅制成的其内壁上覆盖有氮化硅层的坩埚中形成多晶硅锭。这样的Si3N4沉积物为脱模剂，其避免液态硅粘附于坩埚上且同时避本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于硅的纳米粉末的制造方法，特征在于其包括对包含大于10重量ppm杂质含量的冶金级或高纯冶金级Si的基材(7)进行电化学蚀刻。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.09 FR 11519261.通过基于硅的纳米粉末制造氢气的方法，特征在于其包括：·提供由包含大于10重量ppm杂质含量的冶金级或高纯冶金级Si制成的基材，·对所述基材(7)进行电化学蚀刻以形成基于硅的纳米粉末，其具有低于用电子级或太阳能级硅获得的硅纳米粉末释放氢气所必需的能量的氢气释放能，和·通过基于硅的纳米粉末生产氢气。2.权利要求1的方法，特征在于所述基材包含硼，所述硼的浓度大于或等于5重量ppm。3.权利要求1的方法，特征在于所述基材包含硼，所述硼的浓度大于50重量ppm。4.权利要求1的方法，特征在于所述杂质包含铝、铁、钙、磷和硼。5.权利要求4的方法，特征在于铝、铁、钙、磷和硼杂质各自的浓度为1-10000重量ppm。6.权利要求1的方法，特征在于所述基材包含：·掺杂杂质，选自硼、磷和铝，·选自铁、铜、钛、镍、铬和钨的金属杂质，·结构缺陷，其密度大于104缺陷/cm2。7.权利要求1的方法，特征在于用于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：V莱森科，J克莱姆，M梅德加奥伊，
申请(专利权)人：国立里昂应用科学学院，国家科学研究中心，阿波朗索拉尔公司，
类型：
国别省市：