一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，属于纳米材料制备【技术领域】。该方法包括如下步骤：将衬底在沉积室内加热到指定温度，通过液态源雾化法将催化剂溶液雾化并喷入沉积室内，常压条件下在衬底表面沉积催化剂膜后，将衬底放入高温炉内并置于保护气体环境中进行热处理，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后用酸液对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性，干燥后即得到硅纳米线。由于本方法常压下即可在衬底表面制备出催化剂膜，解决了溅射或蒸镀镀膜需要长时间抽真空的问题，因而能够显著提高硅纳米线的生产效率，降低成本，有利于规模化生产。
【专利说明】一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米材料制备【技术领域】，涉及一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅 纳米线的方法。
【背景技术】
[0002] 硅是最常用的半导体材料，是当今电子、信息产业的主体材料。一维硅纳米线属于 硅材料体系中的新兴材料，它具有小尺寸带来的量子效应、高的比表面积、高的表面活性， 在电子器件、太阳能光伏发电、高容量锂离子电池、传感器等领域具有广阔的应用和市场前 景。而且，硅纳米线与现有硅材料技术具有极好的兼容性，进而在技术研发、认知度和应用 市场方面具有极大的先天优势。因此，它与碳纳米管、石墨烯等热门材料一样，受到国内外 科研机构和企业的广泛关注。
[0003] 硅纳米线的常见制备方法包括：化学气相反应沉积、化学腐蚀法、一氧化硅热蒸发 法、催化剂辅助生长法等。在以上制备方法中，催化剂辅助生长法是指首先在衬底上沉积 催化剂膜，然后将衬底置于高温保护气氛下进行热处理，硅纳米线借助催化剂的辅助通过 固-液-固机制进行生长。该方法在硅纳米线生长阶段仅需要普通的气氛炉即可实现，是 一种简单、高效的制备方法；但其衬底表面沉积催化剂的工艺较为繁琐，主要是通过离子溅 射、磁控溅射、真空蒸镀等方式进行，前期需要长时间的抽真空以达到符合要求的高真空条 件，导致衬底制备效率低，影响硅纳米线的生产效率。
[0004] 本发明是在常压环境下，通过液态源雾化工艺将催化剂溶液喷入沉积室内，通过 控制催化剂溶液种类、浓度，雾化速率、衬底温度，实现快速、高效的硅纳米线生长衬底制 备，然后通过高温热处理方式生长硅纳米线材料。由于该方法在常压下即可沉积催化剂膜， 因而能够节省大量抽真空时间，也易于实现生长衬底的连续化制备。这对于规模化生产硅 纳米线具有积极意义，能够极大的提高生产效率，降低成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种新的硅纳米线制备方法，可以缩短工艺时间，提高生产 效率，解决当前娃纳米线生产成本过高的问题。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] 将衬底放入沉积室内并加热至30?300°C，在室温下按照一定质量分数配制催化 剂溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾化成液滴并喷入沉积室内，液态源溶 液的雾化消耗速率为1?60毫升/分钟，持续时间为1?60分钟，常压下在衬底表面沉积 一定厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入保护气体后升温至600?1500°C进行 热处理，热处理时间为10?180分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后用质量分数 为40?98%的酸液对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性，干燥后即得到硅纳 米线。
[0008] 在上述硅纳米线的制备方法中，所述衬底包括单晶硅片、多晶硅片、石英片。
[0009] 在上述砖纳米线的制备方法中，所述衬底的平整度范围在0. 1?5μπι，粗糙度范 围在0. 1?0. 5nm。
[0010] 在上述硅纳米线的制备方法中，所述作为液态源的催化剂溶液包括：氯金酸溶液、 硝酸银溶液、硝酸镍溶液、硝酸铁溶液、硝酸铜溶液、硝酸铝溶液中的一种或其任意组合。
[0011] 在上述硅纳米线的制备方法中，所述作为液态源的催化剂液溶，其浓度质量分数 为 0· 1 ?10%。
[0012] 在上述硅纳米线的制备方法中，所述的沉积催化剂膜厚度在10?300nm之间。
[0013] 在上述硅纳米线的制备方法中，所述通入的保护气体包括氩气、氮气、氢气、氨气、 氦气中的一种或其任意组合。
[0014] 在上述硅纳米线的制备方法中，所述酸液包括：硝酸、盐酸、硫酸、高氯酸、氢氟酸 中的一种或其任意组合。
[0015] 有益效果：与溅射和真空蒸镀方式在衬底上形成催化剂膜的技术相比，本发明无 需真空环境即可实现衬底上催化剂膜的制备，极大的缩短了衬底制备时间，提高了硅纳米 线的生产效率和经济效益。所合成的硅纳米线具有长径比大、生长密集的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 附图1所示为实施例1所制备的硅纳米线扫描电镜示意图。由附图1可见，硅纳 米线生长密集，其直径在20-200nm之间，长度在5-20 μ m之间，长径比达到25-1000。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1
[0018] 选取平整度0· Ιμπι，粗糙度0· lnm的单晶硅衬底放入沉积室内并加热至200°C， 在室温下配制质量分数为0. 1%的氯金酸溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源 雾化成液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化消耗速率为1毫升/分钟，持续时间为60 分钟，常压下在衬底表面沉积50nm厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入氩气后 升温至1200°C进行热处理，热处理时间为100分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然 后用质量分数为46%的硝酸和盐酸的混酸对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中 性，干燥后即得到硅纳米线。
[0019] 实施例2
[0020] 选取平整度1 μ m，粗糙度0. 2nm的单晶硅衬底放入沉积室内并加热至300°C，在室 温下配制质量分数为1%的硝酸银溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾化成 液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化消耗速率为5毫升/分钟，持续时间为30分钟， 常压下在衬底表面沉积80nm厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入氢气后升温至 1KKTC进行热处理，热处理时间为60分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后用质 量分数为40%的硝酸和氢氟酸的混酸对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性， 干燥后即得到硅纳米线。
[0021] 实施例3
[0022] 选取平整度3 μ m，粗糙度0. 3nm的多晶硅衬底放入沉积室内并加热至150°C，在室 温下配制质量分数为10%的硝酸镍溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾化成 液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化消耗速率为20毫升/分钟，持续时间为1分钟，常 压下在衬底表面沉积300nm厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入氮气后升温至 1300°C进行热处理，热处理时间为30分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后用质 量分数为98%的硫酸对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性，干燥后即得到硅 纳米线。
[0023] 实施例4
[0024] 选取平整度5 μ m，粗糙度0. 5nm的多晶硅衬底放入沉积室内并加热至30°C，在室 温下配制质量分数为5%的硝酸铁溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾化成 液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化消耗速率为1毫升/分钟，持续时间为1分钟， 常压下在衬底表面沉积l〇nm厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入氦气后升温至 1500°C进行热处理，热处理时间为10分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后用质 量分数为50%的盐酸对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性，干燥后即得到硅 纳米线。
[0025] 实施例5
[0026] 选取平整度2μπι，粗糙度0· 4nm的石英硅衬底放入沉积室内并加热至KKTC，在 室温下配制质量分数为〇. 1 %的硝酸铜溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾 化成液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化消耗速率为60毫升/分钟，持续时间为1分 钟，常压下在衬底表面沉积200nm厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入氨气后升 温至1000°C进行热处理，热处理时间为120分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后 用质量分数为60%的高氯酸和硝酸的混酸对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中 性，干燥后即得到硅纳米线。
[0027] 实施例6
[0028] 选取平整度0.5μπι，粗糙度0. lnm的多晶硅衬底放入沉积室内并加热至70°C，在 室温下配制质量分数为2. 5%的硝酸铝溶液作为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾 化成液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化消耗速率为30毫升/分钟，持续时间为3分 钟，常压下在衬底表面沉积150nm厚度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入氩气后升 温至600°C进行热处理，热处理时间为180分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后 用质量分数为70%的硝酸对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性，干燥后即得 到娃纳米线。
【权利要求】
1. 一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特征在于包括以下步骤： 将衬底放入沉积室内并加热至30?30(TC，在室温下按照一定质量分数配制催化剂溶液作 为液态源，通过雾化器将所配制的液态源雾化成液滴并喷入沉积室内，液态源溶液的雾化 消耗速率为1?60毫升/分钟，持续时间为1?60分钟，常压下在衬底表面沉积一定厚 度的催化剂膜后，将衬底放入高温炉内，通入保护气体后升温至600?1500°C进行热处理， 热处理时间为10?180分钟，热处理结束冷却至室温后取出衬底，然后用质量分数为40? 98%的酸液对衬底进行清洗去除杂质，再用超纯水清洗至中性，干燥后即得到硅纳米线。
2. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特 征在于，衬底包括单晶硅片、多晶硅片、石英片。
3. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特 征在于，衬底的平整度范围在〇· 1?5 μ m，粗糙度范围在0· 1?0· 5nm。
4. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其 特征在于，作为液态源的催化剂溶液包括：氯金酸溶液、硝酸银溶液、硝酸镍溶液、硝酸铁溶 液、硝酸铜溶液、硝酸铝溶液中的一种或其任意组合。
5. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特 征在于，作为液态源的催化剂液溶，其浓度质量分数为0. 1?10%。
6. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特 征在于，沉积的催化剂膜厚度在10?300nm之间。
7. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特 征在于，通入的保护气体包括氩气、氮气、氢气、氨气、氦气中的一种或其任意组合。
8. 根据权利要求1所述的一种利用液态源雾化沉积催化剂制备硅纳米线的方法，其特 征在于，所用酸液包括：硝酸、盐酸、硫酸、高氯酸、氢氟酸中的一种或其任意组合。
【文档编号】B82Y40/00GK104085892SQ201410184223
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】唐志娟, 王亚莉, 匡泉森 申请人:资兴市硅纳新材有限公司, 匡泉森