单晶硅纳米线阵列的可控性制备及图形化研究

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随着纳米技术的发展，单晶硅纳米线（silicon nanowires,SiNWs）作为一维纳米材料，其优异的光电性能，使其在硅基纳米光电子器件及传感器等领域具有巨大的应用价值。在纳米尺度下，不同的微观结构、不同的微观尺寸以及不同的微观形貌使其性能具有很大的差异性。因此，大区域可控的硅纳米线阵列的制备，以及基于光刻技术的硅基图形化研究，在纳米/微米尺度的光电子器件性能改进上具有重大的意义。
　　在本实验中，首先我们通过结合纳米球掩模板法（nanosphere lithography,NSL）和金属辅助化学刻蚀法（metal-assisted chemical etching,MACE）获得了长度、间距和直径均可控的大区域单晶硅纳米线阵列。在纳米球掩模板制备中通过利用掠角沉积（阴影效应）的原理，以一定倾斜角（60°）溅射的方法获得了小孔径大间距的Au网孔，从而避免了PS球在NSL过程中球形度发生严重畸变，为随后硅纳米线的掩模板刻蚀作好充分的准备。我们获得的硅纳米线长度达到20μm而不团聚，纳米线间距从300nm到1000nm可调节，纳米线直径在亚微米级可控，区域达到厘米量级。
　　同时我们也研究了溶液浓度、腐蚀温度和腐蚀时间等工艺条件对硅纳米线阵列的影响。不同的溶液浓度不仅会使硅纳米线阵列发生锥形化，而且还影响硅纳米线形貌特征；当腐蚀温度过低时，刻蚀过程中氧化还原化学反应的速率较慢，使得硅纳米线的刻蚀很难发生，而刻蚀的温度较高时，氧化还原反应过于剧烈，反应过程中生成大量的气体，使得Au网孔薄膜破坏，腐蚀结果较差。因此，我们可以通过控制合适的浓度、温度和时间等参数来获得即不团聚也不锥形化的硅纳米线阵列。随后我们基于光刻蚀技术利用金属辅助化学刻蚀法对微米级图形化的模板进行了刻蚀，并研究了不同工艺条件对其制备的影响。
　　最后我们利用SEM、EDS、TEM、XRD、荧光光谱和紫外可见对硅纳米线的形貌、组分、微观特征、生长晶向、PL特性和光吸收率等方面进行了分析表征。特别是通过对硅纳米线阵列的紫外可见光谱的分析，在200nm-1000nm光谱范围内，我们获得了反射率较低的（小于10％）硅纳米线抗反射结构。这种较好的抗反射特性是由于硅纳米线本身鹅毛绒的特殊结构使其具有较高的比表面积造成的。随后我们利用透射电镜对单根硅纳米线做了进一步的分析，观察到单根硅纳米线的表面具有较高的粗糙度，这种特征也进一步增强了对可见光的吸收。

著录项

作者
李彬;
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作者单位

西南科技大学;

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授予单位西南科技大学;
学科材料科学与工程
授予学位硕士
导师姓名王朝阳;
年度 2017
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
硅纳米线; 光刻蚀技术; 微米级图形化; 纳米球模板; 可见光吸收;

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