一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，屬于納米材料制備【技術領域】。該方法包括如下步驟：將襯底在沉積室內加熱到指定溫度，通過液態源霧化法將催化劑溶液霧化并噴入沉積室內，常壓條件下在襯底表面沉積催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內并置于保護氣體環境中進行熱處理，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后用酸液對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅納米線。由于本方法常壓下即可在襯底表面制備出催化劑膜，解決了濺射或蒸鍍鍍膜需要長時間抽真空的問題，因而能夠顯著提高硅納米線的生產效率，降低成本，有利于規模化生產。
【專利說明】一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于納米材料制備【技術領域】，涉及一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅 納米線的方法。
【背景技術】
[0002] 硅是最常用的半導體材料，是當今電子、信息產業的主體材料。一維硅納米線屬于 硅材料體系中的新興材料，它具有小尺寸帶來的量子效應、高的比表面積、高的表面活性， 在電子器件、太陽能光伏發電、高容量鋰離子電池、傳感器等領域具有廣闊的應用和市場前 景。而且，硅納米線與現有硅材料技術具有極好的兼容性，進而在技術研發、認知度和應用 市場方面具有極大的先天優勢。因此，它與碳納米管、石墨烯等熱門材料一樣，受到國內外 科研機構和企業的廣泛關注。
[0003] 硅納米線的常見制備方法包括：化學氣相反應沉積、化學腐蝕法、一氧化硅熱蒸發 法、催化劑輔助生長法等。在以上制備方法中，催化劑輔助生長法是指首先在襯底上沉積 催化劑膜，然后將襯底置于高溫保護氣氛下進行熱處理，硅納米線借助催化劑的輔助通過 固-液-固機制進行生長。該方法在硅納米線生長階段僅需要普通的氣氛爐即可實現，是 一種簡單、高效的制備方法；但其襯底表面沉積催化劑的工藝較為繁瑣，主要是通過離子濺 射、磁控濺射、真空蒸鍍等方式進行，前期需要長時間的抽真空以達到符合要求的高真空條 件，導致襯底制備效率低，影響硅納米線的生產效率。
[0004] 本發明是在常壓環境下，通過液態源霧化工藝將催化劑溶液噴入沉積室內，通過 控制催化劑溶液種類、濃度，霧化速率、襯底溫度，實現快速、高效的硅納米線生長襯底制 備，然后通過高溫熱處理方式生長硅納米線材料。由于該方法在常壓下即可沉積催化劑膜， 因而能夠節省大量抽真空時間，也易于實現生長襯底的連續化制備。這對于規模化生產硅 納米線具有積極意義，能夠極大的提高生產效率，降低成本。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種新的硅納米線制備方法，可以縮短工藝時間，提高生產 效率，解決當前娃納米線生產成本過高的問題。
[0006] 本發明通過以下技術方案實現：
[0007] 將襯底放入沉積室內并加熱至30?300°C，在室溫下按照一定質量分數配制催化 劑溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧化成液滴并噴入沉積室內，液態源溶 液的霧化消耗速率為1?60毫升/分鐘，持續時間為1?60分鐘，常壓下在襯底表面沉積 一定厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入保護氣體后升溫至600?1500°C進行 熱處理，熱處理時間為10?180分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質量分數 為40?98%的酸液對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅納 米線。
[0008] 在上述硅納米線的制備方法中，所述襯底包括單晶硅片、多晶硅片、石英片。
[0009] 在上述磚納米線的制備方法中，所述襯底的平整度范圍在0. 1?5μπι，粗糙度范 圍在0. 1?0. 5nm。
[0010] 在上述硅納米線的制備方法中，所述作為液態源的催化劑溶液包括：氯金酸溶液、 硝酸銀溶液、硝酸鎳溶液、硝酸鐵溶液、硝酸銅溶液、硝酸鋁溶液中的一種或其任意組合。
[0011] 在上述硅納米線的制備方法中，所述作為液態源的催化劑液溶，其濃度質量分數 為 0· 1 ?10%。
[0012] 在上述硅納米線的制備方法中，所述的沉積催化劑膜厚度在10?300nm之間。
[0013] 在上述硅納米線的制備方法中，所述通入的保護氣體包括氬氣、氮氣、氫氣、氨氣、 氦氣中的一種或其任意組合。
[0014] 在上述硅納米線的制備方法中，所述酸液包括：硝酸、鹽酸、硫酸、高氯酸、氫氟酸 中的一種或其任意組合。
[0015] 有益效果：與濺射和真空蒸鍍方式在襯底上形成催化劑膜的技術相比，本發明無 需真空環境即可實現襯底上催化劑膜的制備，極大的縮短了襯底制備時間，提高了硅納米 線的生產效率和經濟效益。所合成的硅納米線具有長徑比大、生長密集的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 附圖1所示為實施例1所制備的硅納米線掃描電鏡示意圖。由附圖1可見，硅納 米線生長密集，其直徑在20-200nm之間，長度在5-20 μ m之間，長徑比達到25-1000。
【具體實施方式】
[0017] 實施例1
[0018] 選取平整度0· Ιμπι，粗糙度0· lnm的單晶硅襯底放入沉積室內并加熱至200°C， 在室溫下配制質量分數為0. 1%的氯金酸溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源 霧化成液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化消耗速率為1毫升/分鐘，持續時間為60 分鐘，常壓下在襯底表面沉積50nm厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入氬氣后 升溫至1200°C進行熱處理，熱處理時間為100分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然 后用質量分數為46%的硝酸和鹽酸的混酸對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中 性，干燥后即得到硅納米線。
[0019] 實施例2
[0020] 選取平整度1 μ m，粗糙度0. 2nm的單晶硅襯底放入沉積室內并加熱至300°C，在室 溫下配制質量分數為1%的硝酸銀溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧化成 液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化消耗速率為5毫升/分鐘，持續時間為30分鐘， 常壓下在襯底表面沉積80nm厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入氫氣后升溫至 1KKTC進行熱處理，熱處理時間為60分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質 量分數為40%的硝酸和氫氟酸的混酸對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性， 干燥后即得到硅納米線。
[0021] 實施例3
[0022] 選取平整度3 μ m，粗糙度0. 3nm的多晶硅襯底放入沉積室內并加熱至150°C，在室 溫下配制質量分數為10%的硝酸鎳溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧化成 液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化消耗速率為20毫升/分鐘，持續時間為1分鐘，常 壓下在襯底表面沉積300nm厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入氮氣后升溫至 1300°C進行熱處理，熱處理時間為30分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質 量分數為98%的硫酸對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅 納米線。
[0023] 實施例4
[0024] 選取平整度5 μ m，粗糙度0. 5nm的多晶硅襯底放入沉積室內并加熱至30°C，在室 溫下配制質量分數為5%的硝酸鐵溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧化成 液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化消耗速率為1毫升/分鐘，持續時間為1分鐘， 常壓下在襯底表面沉積l〇nm厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入氦氣后升溫至 1500°C進行熱處理，熱處理時間為10分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質 量分數為50%的鹽酸對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅 納米線。
[0025] 實施例5
[0026] 選取平整度2μπι，粗糙度0· 4nm的石英硅襯底放入沉積室內并加熱至KKTC，在 室溫下配制質量分數為〇. 1 %的硝酸銅溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧 化成液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化消耗速率為60毫升/分鐘，持續時間為1分 鐘，常壓下在襯底表面沉積200nm厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入氨氣后升 溫至1000°C進行熱處理，熱處理時間為120分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后 用質量分數為60%的高氯酸和硝酸的混酸對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中 性，干燥后即得到硅納米線。
[0027] 實施例6
[0028] 選取平整度0.5μπι，粗糙度0. lnm的多晶硅襯底放入沉積室內并加熱至70°C，在 室溫下配制質量分數為2. 5%的硝酸鋁溶液作為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧 化成液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化消耗速率為30毫升/分鐘，持續時間為3分 鐘，常壓下在襯底表面沉積150nm厚度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入氬氣后升 溫至600°C進行熱處理，熱處理時間為180分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后 用質量分數為70%的硝酸對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性，干燥后即得 到娃納米線。
【權利要求】
1. 一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特征在于包括以下步驟： 將襯底放入沉積室內并加熱至30?30(TC，在室溫下按照一定質量分數配制催化劑溶液作 為液態源，通過霧化器將所配制的液態源霧化成液滴并噴入沉積室內，液態源溶液的霧化 消耗速率為1?60毫升/分鐘，持續時間為1?60分鐘，常壓下在襯底表面沉積一定厚 度的催化劑膜后，將襯底放入高溫爐內，通入保護氣體后升溫至600?1500°C進行熱處理， 熱處理時間為10?180分鐘，熱處理結束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質量分數為40? 98%的酸液對襯底進行清洗去除雜質，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅納米線。
2. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特 征在于，襯底包括單晶硅片、多晶硅片、石英片。
3. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特 征在于，襯底的平整度范圍在〇· 1?5 μ m，粗糙度范圍在0· 1?0· 5nm。
4. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其 特征在于，作為液態源的催化劑溶液包括：氯金酸溶液、硝酸銀溶液、硝酸鎳溶液、硝酸鐵溶 液、硝酸銅溶液、硝酸鋁溶液中的一種或其任意組合。
5. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特 征在于，作為液態源的催化劑液溶，其濃度質量分數為0. 1?10%。
6. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特 征在于，沉積的催化劑膜厚度在10?300nm之間。
7. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特 征在于，通入的保護氣體包括氬氣、氮氣、氫氣、氨氣、氦氣中的一種或其任意組合。
8. 根據權利要求1所述的一種利用液態源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法，其特 征在于，所用酸液包括：硝酸、鹽酸、硫酸、高氯酸、氫氟酸中的一種或其任意組合。
【文檔編號】B82Y40/00GK104085892SQ201410184223
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】唐志娟, 王亞莉, 匡泉森 申請人:資興市硅納新材有限公司, 匡泉森