一种基于纳米球刻蚀技术联合离子束溅射技术制备有序硅纳米团簇的方法

文档序号:9647848阅读:1159来源:国知局
一种基于纳米球刻蚀技术联合离子束溅射技术制备有序硅纳米团簇的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体纳米材料的制备方法,特别是一种基于纳米球刻蚀技术联合离子束溅射技术制备有序硅纳米团簇的方法。
【背景技术】
[0002]量子点又被称为人工原子,它是由数目有限的原子形成的纳米尺寸的晶粒。在量子点中,电子(或空穴)在空间三个方向上的运动均受到限制,这将产生一系列的量子效应,如表面效应、库伦阻塞效应、量子限制效应、共振隧穿效应、小尺寸效应及由于碰撞电离产生多激子等。以上效应均有利于量子点太阳能电池的设计,其中量子限制效应提高了激子间库仑作用势和弱化了载流子动量匹配条件,这将引起碰撞电离率的大大提高,这样在具有量子限制效应的量子点中多激子能够有效的产生。另外,硅纳米团簇同样由于尺寸因素具有与量子点类似的系列量子效应,故利用纳米团簇中碰撞导致多激子产生原理可以成为设计硅纳米团簇太阳能电池可行性的重要理论依据。
[0003]获得高光电转换效率硅纳米团簇太阳电池的最关键技术是制作分布均匀、大小合适且均一、间距满足载流子高效输运的硅纳米团簇。在硅纳米团簇太阳电池中,纳米团簇大小和间距对载流子迀移率有很大影响。载流子迀移率对硅纳米团簇间距一致性的依赖程度同尺寸变化相比更强。为了制备排列规则,密度分布均匀且尺寸均一易于控制的硅纳米团簇,有课题组报道采用光刻和后续通过化学气相沉积(CVD)镀膜退火工艺制备有序硅纳米团簇。与上述工艺进行比较,利用纳米球刻蚀技术(NSL)制备有序硅基纳米坑图形衬底相对于光刻等方法具有操作简单、工艺操作方便、制作成本低等特点。同样采用离子束溅射方法明显比CVD等工艺在成本及操作方面特点更为突出,更利于产业化方向的推广。
[0004]

【发明内容】

[0005]本发明目的在于提供一种利用成本低、工艺简单、生长效率高并且易于产业化的一种基于纳米球刻蚀技术联合离子束溅射技术制备有序硅纳米团簇的方法。
[0006]基于本发明设计太阳能电池可用于解决目前太阳能电池普遍存在的能耗高、光电转换效率低等缺点。另本发明中采用的纳米球刻蚀技术及离子束溅射技术可以在一定程度上解决了采用其他方法制备图形衬底及溅射生长技术的成本高、步骤繁琐等问题。
[0007]本发明通过下列技术方案实现:首先采用聚苯乙烯纳米球刻蚀技术在硅基衬底上制备二维有序的纳米坑图形衬底,纳米坑的排列方式为六角紧密排列方式。将样品放入离子束溅射室内,利用离子束溅射技术,以高纯氩气为工作气体,在溅射室本底真空为3 X 10 4Pa,Si溅射温度为450~550 °C,放电电压为70 V,束流电压为1 KV,加速电压为50~100 V,生长束流为7~10 mA,溅射压强为2X10 2 Pa,溅射速率为0.0985~0.12 A/s条件下,在硅基图形衬底上溅射生长有序硅纳米团簇。
[0008]所述技术方案包括两个步骤:基于纳米球刻蚀技术在硅衬底上制备二维有序纳米坑型图形衬底和基于离子束溅射技术制备有序硅纳米团簇。
[0009]所述基于纳米球刻蚀技术制备硅基二维有序纳米坑图形衬底,其制备工艺流程图如附图1所示,具体步骤为:
(1)取硅片及载玻片多片,用丙酮及无水乙醇依次分别放置于超声环境中一段时间;将样品及载玻片分别置于H2S0jP H 202混合溶液中煮沸;后将他们分别置于氢氟酸稀释溶液中浸泡。以上每一步都需要对样品和载玻片分别使用去离子水冲洗多次。
[0010](2)配制PS纳米球悬浮溶液用于纳米球刻蚀的基础实验,使用微量移液器将悬浮液依LB法实验要求逐滴滴在载玻片上,PS纳米球悬浮溶液将沿载玻片自由滑落并在去离子水表面自组织形成排列紧密的单层纳米球薄膜,纳米球的排列方式为六角密堆型。待使用注射器采用抽水方式将表面皿中去离子水除去,PS纳米球薄膜将落在实验装置底部中心的娃衬底表面。
[0011](3)对覆有PS纳米球薄膜的硅衬底进行镀金处理,使用离子溅射仪在样品表面溅射一层Au薄膜,后将样品在大气条件下静置一段时间。
[0012](4)将Si衬底置于四氢呋喃有机溶剂中,在超声环境下将其表面聚苯乙烯纳米球除掉,此时衬底表面将留下纳米球间隙而存在的有序Au金属掩膜。
[0013](5)将样品至于Κ0Η溶液中刻蚀,衬底上残留的Au膜将以掩膜的形式保护硅片表面未被纳米球覆盖的位置。刻蚀完成后,经过“王水除金”步骤,除去硅片表面金层。通过原子力显微镜可在硅衬底表面观察到二维有序的六角纳米坑型图案。
[0014]所述利用离子束溅射技术制备有序硅纳米团簇的方法,具体步骤为:
(1)采用改进的RCA清洗方法清洗经PS纳米球刻蚀后的硅基图形衬底;
(2)清洗完成后将硅衬底用高纯氮气吹干后立即放入溅射室内,并待溅射室真空度降至3X10 4 Pa时,调整温度至700~750 °C,保持5~10 min ;向溅射室充入纯度为5N(99.999%)的氩气作为工作气体,调节压强为2X 10 2 Pa ;
(3)调节相应参数,在450~550°C,放电电压为70 V,束流电压为1 kV,加速电压为50-100 V,生长束流为7~10 mA,溅射速率为0.0985~0.12 A/s的条件下在Si图形衬底上溅射生长20~50 nm Si层,生长结束后原位保持0~10 min。
[0015]本发明通过利用成本低、工艺简单、生产效率高且易于产业化的离子束溅射技术在基于PS纳米球刻蚀的图形衬底上溅射制备二维有序的硅纳米团簇,是一种简易而高效的制备硅纳米团簇太阳能电池的方法。
【附图说明】
[0016]图1为基于纳米球刻蚀方法制备硅基二维有序纳米坑图形衬底的工艺流程图; 其具体操作步骤为:
(1)在Si(100)衬底上制备单层有序PS纳米球薄膜;
(2)使用离子溅射仪对覆有纳米球薄膜进行镀金处理,厚度为1纳米;
(3)经过超声环境四氢呋喃内振动清洗过程除去硅表面纳米球;
(4)经过Κ0Η刻蚀后的硅衬底表面形貌;
(5)经过“王水除金”步骤,得到硅基有序纳米坑图形; (6)基于离子束溅射技术在图形衬底上生长有序硅纳米团簇;
(7)得到有序硅纳米团簇。
[0017]图2为采用改进过的LB法在硅衬底上制备单层有序纳米球薄膜示意图;
图3为经过Κ0Η刻蚀后的硅衬底表面有序纳米坑图形衬底AFM扫描图像;
图4为本发明实施例1所得样品的AFM检测结果图;
图5为图4中局部纳米团簇的AFM三维图。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]下面通过实施例对本发明作进一步描述。
[0020]实施例1:
所用溅射生长设备为超高真空多靶磁控与离子束联合溅射设备中离子束溅射室,生长室内安置有考夫曼离子枪;所用靶材为5N的高纯度Si方形靶,溅射气体为5N高纯氩气;所用的用于在Si衬底表面溅射Au膜的设备为SCK005型离子溅射仪,靶材为99.99%的高纯Au圆形靶;所用Si衬底晶向为(001)的P型单晶Si片,单面抛光,电阻率为1~2 Ω ;所使用的PS纳米球直径为80 nm,杜克公司生产;所使用的载玻片为帆船牌载玻片;表面皿为普通市购产品;超声环境的引用使用的是市购的超声清洗器。具体步骤如下:
一、纳米球刻蚀法制备硅基二维有序纳米坑型图形衬底:
(1)取硅片及载玻片多片,用丙酮及无水乙醇依次分别放置于超声环境中振动清洗15-20 min ;将样品及载玻片分别置于H2S0jP Η 202体积比例为1:1的混合溶液中煮沸15min ;后将他们分别置于按氢氟酸:去离子水=1:10~40比例的溶液中浸泡30~90s。以上每一步都需要对样品和载玻片分别使用去离子水冲洗3次;
(2)配制PS纳米球悬浮溶液用于纳米球刻蚀的基础实验,配制的纳米球悬浮溶液组成为PS纳米球水溶液:甲醇:去离子水=x:y:z (1彡x彡3; 1彡y彡
当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1