核壳Si/Fe₂O₃纳米线阵列的制备方法

专利名称：核壳Si/Fe₂O₃纳米线阵列的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体纳米材料制备领域，尤其涉及一种核壳Si/Fe203纳米线阵列的制备方法。
背景技术：
Si具有太能光谱吸收范围广、电学性质易调、价格低廉等优点，在光伏、微电子、光催化等领域具有广泛的应用。一维Si纳米结构由于其比表面积大、减反射性能好、光生载流子收集能力好等优点，在光伏电池、光电化学池等太阳能转化领域表现出优异的性能(Nature materials, 2011,10, 539.)。用于光催化领域，Si的最大的局限在于其在溶液中的光腐蚀，即Si表面很容易形成一层氧化层，进而阻止Si与溶液间的电荷传输。尤其是当Si材料被用作光阳极进行光催化分解水时，由于一般需要施加额外的正电压，使得Si表面更容易形成氧化层。在以往的科学研究中，一些材料诸如，Pt、Au、TiO2以及一些有机基团等被修饰到Si表面，使Si和溶液隔离，从而避免其光腐蚀(Angew.Chem.，2011，50，9861.)。这些途径往往涉及到昂贵的材料，或者溅射、原子层沉积等昂贵的仪器和复杂的化学修饰手段。如何采用廉价的材料，并通过经济的手段保护住Si，使其可用于能够长时间运行的光电化学太阳能转化器件，是一个亟待解决的问题。Fe2O3也是一种廉价，对环境无污染，并且在可见光波段具有很高活性的催化剂材料(Nano Lett.,2011, 11,3503.)。同时，Fe2O3在很宽的溶液pH范围内，从弱酸到强碱，都具有很高的稳定性，可以作为廉价的半导体材料来保护Si。其次，Si和Fe2O3所形成异质结可能会有助于光生载流子的分离和收集(Nano Lett.,2009,9,410.)0鉴于以上考虑，核壳结构的Si/Fe203纳米线阵列，将可能具有很好的光催化分解水性能。在此结构中，纳米线阵列结构可以起到很好的减反射作用；核区的Si可以吸收太阳光，并可以为光生电子的收集提供高速通道；包覆在Si核外面的Fe2O3壳层可以使得Si和溶液相隔离，并且可以吸收一部分太阳光，用于光催化分解水。

发明内容
本发明的目的是提供一种核壳Si/Fe203纳米线阵列的制备方法。本发明首先通过化学刻蚀法在单晶Si片上得到Si纳米线阵列，然后再通过浸泡含有Fe (NO) 3的乙醇溶液，使得Si纳米线的表面吸附上Fe (NO) 3，最后在高温炉中加热吸附有Fe (NO)3的Si纳米线阵列，使得Fe (勵)3热分解为Fe2O3，从而得到以Si为核，以Fe2O3为壳的核壳Si/Fe203纳米线阵列。本发明的核壳Si/Fe203纳米线阵列的制备方法包括以下步骤:(I)Si 纳米线阵列的制备:可参照文献 Angew.Chem.1nt.Ed.2005，44，2737 - 2742进行制备；将表面清洗 洁净的单晶硅片置于硝酸银浓度为5mM，氢氟酸的浓度为4.6M的混合水溶液中进行浸泡(优选进行浸泡的时间为10分钟);然后将单晶硅片取出并置于双氧水浓度为0.2M，氢氟酸浓度为4.6M，温度为50°C的混合水溶液中进行刻蚀(一般刻蚀的时间为5 30分钟)，在单晶硅片上得到取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列；(2)Si纳米线的表面吸附Fe(NO)3:将步骤(I)制备得到的带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片先在质量浓度为5%的氢氟酸水溶液中进行浸泡，除去Si纳米线表面的氧化层；然后再将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe(NO)3的乙醇溶液中(一般放置的时间为I 5分钟)，使Si纳米线的表面吸附上Fe (NO)3 ；(3)Fe (NO)3高温热分解:将步骤(2)得到的带有表面吸附有Fe(NO)3的Si纳米线阵列的单晶硅片置入高温炉中进行加热处理，使得Fe (NO) 3热分解为Fe2O3，从而得到核壳Si/Fe203纳米线阵列(以Si为核，以Fe2O3为壳)。步骤(I)刻蚀得到的Si纳米线阵列中的Si纳米线的直径为20 400nm ;纳米线的长度可通过改变刻蚀的时间来控制，控制刻蚀的时间为5 30分钟，可得到纳米线的长度约为7 35 μ m。步骤(2)所述的含有Fe (NO)3的乙醇溶液中Fe(NO)3的浓度为5 800mM。步骤(3)所述的进行加热处理的温度为400 750°C。步骤(3)所述的进行加热处理的时间为I 6小时。本发明的核壳Si/Fe203纳米线阵列的制备方法的优越性在于:制备过程无需复杂的诸如磁控溅射、原子层沉积等高真空设备，方法简单、可行性高；其次，所用原材料均为环境友好、价格低廉的化学物质。


图1.本发明实施例1制备 的Si纳米线阵列的扫描电子显微镜图片，俯视图(a)，侧视图(b)。图2.本发明实施例1制备的核壳Si/Fe203纳米线阵列的扫描电子显微镜图片，低倍图(a)，局部高倍放大图(b)。图3.本发明实施例1制备的核壳Si/Fe203纳米线阵列的透射电子显微镜图片。图4.本发明实施例1制备的核壳Si/Fe203纳米线阵列的X射线衍射谱(竖线为赤铁矿相Fe2O3 (JCPDS 33-0664)的X射线衍射谱标准谱图)。图5.本发明实施例2制备的Si/Fe203纳米线阵列的扫描电子显微镜图片(a)，透射电子显微镜图片(b)。图6.本发明实施例3制备的Si/Fe203纳米线阵列的扫描电子显微镜图片(a)，高分辨透射电子显微镜图片(b )。
具体实施例方式实施例1.
将表面清洗洁净的单晶硅片置于硝酸银浓度为5mM，氢氟酸的浓度为4.6M的混合水溶液中进行浸泡10分钟；然后将单晶硅片取出并置于双氧水浓度为0.2M，氢氟酸浓度为4.6M，温度为50°C的混合水溶液中刻蚀20分钟，在单晶硅片上得到取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列,刻蚀得到的Si纳米线阵列中的Si纳米线的直径为20 400nm，长度约为20 25 μ m ;扫描电子显微镜图片如图1所示；然后将制备得到的带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片先在质量浓度为5%的氢氟酸水溶液中进行浸泡，除去Si纳米线表面的氧化层；再将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe(NO)3浓度为800mM的乙醇溶液中I分钟，使Si纳米线的表面吸附上Fe(NO)3 ;最后，将带有表面吸附有Fe (NO) 3的Si纳米线阵列的单晶硅片置入高温炉中在750°C下加热6小时，使得Fe (NO) 3热分解为Fe2O3,从而得到核壳Si/Fe203纳米线阵列(以Si为核，以Fe2O3为壳)。所得核壳Si/Fe203纳米线阵列的扫描电子显微镜图片如图2所示，透射电子显微镜图片如图3所示，X射线衍射谱如图4所示。实施例2.
将表面清洗洁净的单晶硅片置于硝酸银浓度为5mM，氢氟酸的浓度为4.6M的混合水溶液中进行浸泡10分钟；然后将单晶硅片取出并置于双氧水浓度为0.2M，氢氟酸浓度为
4.6M，温度为50°C的混合水溶液中刻蚀20分钟，在单晶硅片上得到取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列,刻蚀得到的Si纳米线阵列中的Si纳米线的直径为20 400nm，长度约为20 25 μ m ;然后将制备得到的带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片先在质量浓度为5%的氢氟酸水溶液中进行浸泡，除去Si纳米线表面的氧化层；再将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe (NO)3浓度为50mM的乙醇溶液中3分钟，使Si纳米线的表面吸附上Fe (NO)3 ;最后，将带有表面吸附有Fe (NO)3的Si纳米线阵列的单晶硅片置入高温炉中在500°C下加热3小时，使得Fe (NO) 3热分解为Fe2O3,从而得到核壳Si/Fe203纳米线阵列(以Si为核，以Fe2O3为壳)。所得核壳Si/Fe203纳米线阵列的扫描电子显微镜图片如图5 Ca)所示，透射电子显微镜图片如图5 (b)所不。实施例3.
将表面清洗洁净的单晶硅片置于硝酸银浓度为5mM，氢氟酸的浓度为4.6M的混合水溶液中进行浸泡10分钟；然后将单晶硅片取出并置于双氧水浓度为0.2M，氢氟酸浓度为
4.6M，温度为50°C的混合水溶液中刻蚀20分钟，在单晶硅片上得到取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列,刻蚀得到的Si纳米线阵列中的Si纳米线的直径为20 400nm，长度约为20 25 μ m ;然后将制备得到的带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片先在质量浓度为5%的氢氟酸水溶液中进行浸泡，除去Si纳米线表面的氧化层；再将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe (NO)3浓度为5mM的乙醇溶液中5分钟，使Si纳米线的表面吸附上Fe (NO)3 ;最后，将带有表面吸附有Fe (NO)3的Si纳米线阵列的单晶硅片置入高温炉中在400°C下加热I小时，使得Fe (NO) 3热分解为Fe2O3,从而得到核壳Si/Fe203纳米线阵列(以Si为核，以Fe2O3为壳)。所得核壳Si/Fe203纳米线阵列的扫描电子显微镜图片如图6 Ca)所示，高分辨透射电子显微镜图片如图6 (b)所示。
权利要求
1.一种核壳Si/Fe203纳米线阵列的制备方法，其特征是，所述的制备方法包括以下步骤: (1)Si纳米线的表面吸附Fe (NO)3:将带有取向垂直于单晶娃片的Si纳米线阵列的单晶硅片先在质量浓度为5%的氢氟酸水溶液中进行浸泡，除去Si纳米线表面的氧化层；然后再将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe(NO)3的乙醇溶液中，使Si纳米线的表面吸附上Fe (NO)3 ； (2)Fe(N0)3高温热分解:将步骤(I)得到的带有表面吸附有Fe(NO)3的Si纳米线阵列的单晶硅片置入高温炉中进行加热处理，使得Fe (NO) 3热分解为Fe2O3,得到核壳Si/Fe203纳米线阵列。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是:步骤(I)所述的将带有取向垂直于单晶硅片的Si纳米线阵列的单晶硅片放置于含有Fe(NO)3的乙醇溶液中，含有Fe(NO)3的乙醇溶液中Fe (NO) 3的浓度为5 800mM。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是:步骤(2)所述的进行加热处理的温度为400 750。。。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征是:步骤(2)所述的进行加热处理的时间为I 6小 时。
全文摘要
本发明属于半导体纳米材料制备领域，尤其涉及一种核壳Si/Fe2O3纳米线阵列的制备方法。本发明首先通过化学刻蚀法在单晶Si片上得到Si纳米线阵列，然后再通过浸泡含有Fe(NO)3的乙醇溶液，使得Si纳米线的表面吸附上Fe(NO)3，最后在高温炉中加热吸附有Fe(NO)3的Si纳米线阵列，使得Fe(NO)3热分解为Fe2O3，从而得到以Si为核，以Fe2O3为壳的核壳Si/Fe2O3纳米线阵列。
文档编号B81C1/00GK103159501SQ201310065058
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月28日 优先权日2012年11月15日
发明者佘广为, 齐小鹏, 师文生 申请人:中国科学院理化技术研究所