超重力辅助的可控制备一维硅纳米线阵列的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米材料制备技术领域，设及一种利用超重力技术可控制备一维娃纳 米线阵列的方法。
【背景技术】
[0002] 半导体一维纳米材料由于具有独特的光学、电学和热学等性能，在光伏、热电、光 化学电池、生物医学等领域有着广泛的应用。娃作为地球上储量丰富的元素之一，具有较窄 的带隙（1.12eV)，使其具有良好的可见光吸收能力，此外，一维娃纳米线结构能有效地缩短 载流子的迁移距离，并具有陷光效应，能有效的增强娃的光吸收性能，到目前为止，已有大 量的工作研究了基于娃纳米阵列的生物探测器、场效应晶体管、发光材料、光催化剂、太阳 能电池等新型结构与器件并取得了一定的成果。因此，为了实现娃纳米线阵列的实际应用， 发展简单、方便的可控制备方法尤为重要。
[0003] 娃纳米线的制备总体上分为"自上而下"和"自下而上"的方法。娃纳米线的制备 与应用已成为当前最热口的话题之一。"自上而下"的方法是观察金属颗粒在娃体内的运动 现象时受到启发，通过减小娃片的尺寸来实现娃纳米线的制备。但是，该种方法制备的娃纳 米线无序、尺寸较宽。如何有选择性的减少娃基底的维度而制备可控的娃纳米阵列就成为 该方法的瓶颈。
[0004] 金属辅助刻蚀（MAC巧法是一种"自上而下"的、最有可能实现大面积竖直娃纳米 线阵列制备的方法。简单来说，在娃纳米线阵列的制备过程中，金属纳米颗粒如Ag、Au等 首先通过热蒸发、化学沉积等方法被修饰于娃片基底上；之后，通过在刻蚀液中将接触到金 属纳米颗粒的娃刻蚀掉，得到娃纳米线结构。从原理上说，修饰于娃片表面的金属纳米颗粒 (WAg为例），将作为反应的催化中心在与刻蚀液化02/H巧接触的一面发生&〇2的还原 反应，在与Si接触的一面发生Si的氧化反应，通过不断对娃的氧化及溶解，得到娃纳米线 阵列。因此，银纳米颗粒的运动轨迹直接决定娃纳米线的形貌。
[0005] 理论上讲，随着金属纳米颗粒对娃的氧化及溶解，会形成均一的娃纳米线阵列，但 是，实际情况并非如此。由于溶液环境中银纳米颗粒很不稳定，极易混乱运动并分散于刻蚀 液中，而其一旦接触与Si接触，就会对Si进行刻蚀，造成娃纳米线的不均匀、折断，顶端尖 锐、不平整等现象。另外，由于刻蚀过程中在金属周围会产生气体，气泡在纳米线之间的狭 小的刻蚀空间内（纳米级）很难逸出，因此会严重影响刻蚀液与刻蚀界面的接触，不仅影响 刻蚀的均匀性，使娃纳米线的长短不一；还会由于刻蚀液的缺乏而使银纳米颗粒的刻蚀方 向发生变化，最终将娃纳米线刻断。最后，由于刻蚀反应是在狭小的纳米线间隙中实现的， 新鲜刻蚀液必须能持续进入金属纳米颗粒表面才能推动刻蚀反应的持续进行；但是，由于 表面张力的作用，新鲜刻蚀液很难持续进入狭小的刻蚀反应处，从而影响刻蚀反应的速度 及均一性。
[0006] 因此，娃纳米线阵列的制备原理所引起的金属颗粒的混乱运动、气泡逸出困难、刻 蚀液传质受阻等问题，造成了阵列结构的不均一性。
[0007] 超重力是指比地球重力加速度大得多的环境下，物质所受到的力。任一瞬间物质 在旋转体内各点所受的超重力分布总和称为超重力场。在地球上，实现超重力的最简便方 法是通过旋转产生离屯、力而实现的。在超重力的作用下，反应界面上的金属纳米颗粒被束 缚于反应界面上，不容易被金属纳米颗粒附近的气泡所移动。另外，脱离刻蚀界面的金属纳 米颗粒会由于超重力场的存在被局限至刻蚀界面附近或重新回到刻蚀界面，从而限制了金 属纳米颗粒在刻蚀液中的混乱运动，避免了金属纳米颗粒的混乱刻蚀。超重力自二十世纪 问世W来，已经受到广泛的应用，尤其是在制备纳米材料中。超重力反应器制备纳米材料时 反应成核区和晶体生长区是分开的，使晶体的生长区置于完全宏观混合区，制备出的产品 组分分布均匀、粒度分布窄。
【发明内容】
[000引针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种新型的娃纳米线制备的方 法，可W缩短反应时间，从而解决娃纳米线阵列可控与质量问题。
[0009] 本发明是在超重力环境下，通过金属辅助化学刻蚀法（MAC巧制备娃纳米线阵列， 通过改变超重力的大小和方向控制金属纳米颗粒的运动及絮状物的分布，从而快速的制备 高质量的一维娃纳米线阵列。
[0010] 为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] 一种一维娃纳米线阵列的制备方法，采用"自上而下"金属辅助化学刻蚀法，直接 将切洗后的娃片放入稳定的金属盐的氨氣酸水溶液刻蚀液中，在超重力体系中，通过调节 离屯、机的转速、温度、时间等因素一步法可控制备高质量的一维娃纳米线阵列。其中，稳定 的金属盐的氨氣酸水溶液是指金属盐充分地溶解在氨氣酸溶液中并与氨氣酸混合均匀。
[0012] 基于金属辅助刻蚀法的反应过程中，纳米线之间狭小缝隙中产生的气泡，是影响 娃纳米线阵列可控制备的重要原因之一。而超重力场对气泡的形成与逸出均有很大的影 响，超重力也是化工领域中一种重要的气泡消除方法。由于气泡临界形核半径与超重力系 数成反比关系，在超重力条件下，气泡临界形核半径显著减小。并且，当气泡脱离娃片表面 时，对于同样大小的气泡，超重力条件下，气泡所受的浮力是常重力的G倍，即超重力条件 下，气泡更容易逸出。另外，产生等量气体时，超重力条件下其体积仅为常重力的1/G。因 此，在超重力条件下，刻蚀界面上产生的气泡尺寸会更小、更容易逸出，对刻蚀反应的影响 更小。
[0013] 而且，由于刻蚀反应是在狭小纳米线间隙中进行的，新鲜刻蚀液必须能持续进入 金属纳米颗粒表面才能推进刻蚀反应的持续进行。但是，在狭小的空隙中，由于表面张力的 作用，新鲜刻蚀液很难持续进入刻蚀反应处，从而影响刻蚀反应的速度及均一性。而在超重 力环境下，液体的表面张力会变得微不足道，液体被巨大的剪切力撕裂为不同形态的微元， 从而大大增强传质过程。因此，在超重力作用下，新鲜刻蚀液会更容易进入刻蚀反应处，确 保刻蚀反应的速度及均