一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種納米材料的制備方法，尤其涉及一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅納米材料是最重要的半導(dǎo)體材料之一，在微電子領(lǐng)域一直是主導(dǎo)材料。一維硅納米材料在納電子器件、光電子器件、生物傳感器以及新能源等方面有良好的應(yīng)用前景。目前制備硅納米線的主要方法有:化學(xué)氣相沉積法[參見=CoppeyN, Noe L,Month1ux M, Caussat B.Fluidized bed chemical vapor deposit1nof silicon on carbon nanotubes for L1-1on batteries.Journal of NanosciNanotechnol, 2011，11 (9) ,8392-5]、激光燒蝕法[參見:F.Kokai, S.1noue, H.Hidaka, K.Uchiyama, Y.Takahashi, A.Kosh1.Catalyst-free growth of amorphoussilicon nanowires by laser ablat1n.Appl Phys A, 2013，112，1-7]、模板法[參見:MahMaha Khayyat, Brent A Wacaser, Mark C Reuter, Frances M Ross, Devendra KSadana, Tze-Chiang Chenl.Nanoscale chemical templating of Si nanowires seededwith A.Nanotechnology, 2013，24 (23)，235301]、化學(xué)刻蝕法[參見:一種易于大面積分離的硅納米線陣列的制備，公開號(hào)CN103050378A ;—種超細(xì)硅納米線陣列的制備方法，公開號(hào)CN103803486A]等?；瘜W(xué)刻蝕法因其簡(jiǎn)單、高效的制備大面積單一方向的硅納米線陣列而廣泛應(yīng)用。但是到目前為止，還未曾有一種簡(jiǎn)單、低成本的方法制備多級(jí)枝狀硅納米線。如果能夠控制多級(jí)枝狀硅納米線的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高集成電路元器件的復(fù)雜連接，則多級(jí)枝狀硅納米線在納米器件方面將會(huì)有光輝的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]要解決的技術(shù)問題
[0004]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法，將Sr變質(zhì)鋁硅共晶與選擇性腐蝕法相結(jié)合制備多級(jí)枝狀硅納米線的方法。
[0005]技術(shù)方案
[0006]一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0007]步驟1:原料ZL102鋁硅合金在坩禍爐中加熱至融化，760°C保溫30min后加入A1-10% Sr中間合金，降溫至730°C保溫5min，降溫至720°C，保溫30min后澆鑄；
[0008]步驟2:采用恒電位選擇性腐蝕的方法去除基體中的Al元素保留硅元素，獲得多級(jí)枝狀硅納米線，選擇腐蝕電位為0.5V，PH ^ 1
[0009]有益效果
[0010]本發(fā)明提出的一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法，Sr變質(zhì)ZL102鋁硅共晶與恒電位選擇性腐蝕法相結(jié)合制備多級(jí)枝狀硅納米線的方法簡(jiǎn)單、成本低廉。通過控制Sr的添加量、保溫時(shí)間、添加溫度以及恒電位選擇性腐蝕工藝參數(shù)(如腐蝕時(shí)間、腐蝕電位等)可實(shí)現(xiàn)多級(jí)枝狀硅納米線的線徑、分支程度、長(zhǎng)度可控。本發(fā)明所述方法可以低成本大批量的制備多級(jí)枝狀硅納米線，且能夠有效的控制硅納米線的線徑、長(zhǎng)度、分支程度，制備出的多級(jí)枝狀硅納米線有望應(yīng)用于基于復(fù)雜的納電子器件中。
[0011]本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，制備的多級(jí)枝狀硅納米線長(zhǎng)度、分支程度與線徑可控，如制備工藝路線如附圖1所示。
【附圖說明】
[0012]圖1是多級(jí)枝狀硅納米線制備工藝流程圖；
[0013]圖2是Al-Si的電位-PH圖；
[0014]圖3是制備出的多級(jí)枝狀硅納米線SEM圖；
[0015]圖4是圖3中的局部放大SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0017]將Sr變質(zhì)鋁硅共晶與選擇性腐蝕法相結(jié)合制備多級(jí)枝狀硅納米線的方法，制備實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示，主要包括以下順序步驟:
[0018]a)采用Sr變質(zhì)促使ZL102鋁硅合金中片狀共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)橹睢Ｔ蠟閆L102鋁硅合金，Sr以中間合金Al-10% Sr形式加入。原料在坩禍爐中加熱融化，760°C保溫30min后加入A1-10 % Sr中間合金，降溫至730°C保溫5min，降溫至720°C，保溫30min后澆鑄試樣。
[0019]b)采用恒電位選擇性腐蝕的方法去除基體中的Al元素保留硅元素，獲得多級(jí)枝狀硅納米線。Al-Si的電位-PH圖如圖2所示。以鋁的狀態(tài)可以簡(jiǎn)單劃分為腐蝕區(qū)、鈍化區(qū)、免蝕區(qū)等三個(gè)區(qū)域。腐蝕區(qū):當(dāng)鋁的電位處于腐蝕區(qū)域內(nèi)時(shí)，金屬鋁將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生腐蝕，該區(qū)域內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)的是可溶性的Al3+。免蝕區(qū):處于免蝕區(qū)域時(shí)，金屬鋁處于熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，在此區(qū)域內(nèi)金屬不發(fā)生腐蝕。鈍化區(qū):在此區(qū)域內(nèi)的電位和PH值條件下，鋁生成穩(wěn)定的固態(tài)氧化物，在此區(qū)域內(nèi)金屬是否遭受腐蝕，取決于所生成的鈍化膜是否具有保護(hù)性以及溶液中是否存在對(duì)鈍化膜有害離子等。圖2中a線為氫線，即在此線上發(fā)生還原反應(yīng)；b線為氧線，在此線上發(fā)生氧化反應(yīng)。從圖中A、B、C各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位和pH條件，可判斷出鋁腐蝕的情況。A點(diǎn)處于Al和4的穩(wěn)定區(qū)，故不發(fā)生腐蝕。B點(diǎn)處于腐蝕區(qū)，且在氫線以下，即處于Al3+和!12的穩(wěn)定區(qū)，在該條件下，鋁將發(fā)生析氫腐蝕。其化學(xué)反應(yīng)如下:
[0020]陽極反應(yīng)Al = Al3++3e_(2-1)
[0021]陰極反應(yīng)2H++2e_=H2(2-2)
[0022]微電解池反應(yīng)2A1+6H+= 2A1 3++3H2 (2-3)
[0023]若鋁處于C點(diǎn)條件下，即在腐蝕區(qū)，又在氫線以上，對(duì)于Al3IP H2O是穩(wěn)定的。但鋁仍會(huì)腐蝕，此時(shí)為吸氧腐蝕。
[0024]陽極反應(yīng)Al = Al3++3e_(2-4)
[0025]陰極反應(yīng)4H++02+4e-= 2H20 (2-5)
[0026]從圖2中可以觀察到Al元素在PH < 2且電位> -1.7V時(shí)處于腐蝕狀態(tài)，而Si在PH值從-2到12的區(qū)間且電位> -0.8時(shí)始終處于鈍化狀態(tài)。因此，選定腐蝕電位為0.5V，PH ^ I進(jìn)行恒電位電化學(xué)選擇性腐蝕lh，以保證鋁元素被選擇性的腐蝕去除，而硅元素得以保留，最終獲得多級(jí)枝狀硅納米線結(jié)構(gòu)。
[0027]具體實(shí)施例:
[0028]a)采用Sr變質(zhì)促使ZL102鋁硅合金中片狀共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)橹睿?br>[0029]①ZL102合金清洗，除去表面玷污；
[0030]②ZL102合金在坩禍爐中加熱到760°C，保溫30min ；
[0031]③合金降溫至730°C時(shí)，加入中間合金A1-10% Sr，攪拌5min ；
[0032]④合金降溫至720 °C，保溫30min，澆鑄試樣備用；
[0033]⑤將試樣加工成Φ 1mmX 30mm試片若干，用水磨砂紙將試片打磨至表面無劃痕，無水乙醇除油，干燥處理備用；
[0034]⑥用自凝牙脫水和義齒基托樹脂將試片鑲嵌于塑料管中，采用絕緣漆將試片表面涂抹均勻，余下Icm2的待腐蝕區(qū)，干燥處理備用。
[0035]b)采用恒電位選擇性腐蝕的方法去除基體中的Al元素保留硅元素，獲得多級(jí)枝狀硅納米線。
[0036]①采用電化學(xué)工作站CS350進(jìn)行恒電位選擇性腐蝕實(shí)驗(yàn)，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片為對(duì)電極，腐蝕液為IM HCl水溶液，腐蝕電位為0.5V，腐蝕時(shí)間為Ih ；
[0037]②采用IM HF溶液去除多級(jí)枝狀硅納米線表面的氧化物；
[0038]③對(duì)制備好的樣品進(jìn)行清洗、干燥處理。
[0039]制備出的多級(jí)枝狀硅納米線如圖2和圖3所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:原料ZL102鋁硅合金在坩禍爐中加熱至融化，760°C保溫30min后加入Al-10%Sr中間合金，降溫至730°C保溫5min，降溫至720°C，保溫30min后澆鑄； 步驟2:采用恒電位選擇性腐蝕的方法去除基體中的Al元素保留硅元素，獲得多級(jí)枝狀硅納米線，選擇腐蝕電位為0.5V，PH^ 1
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多級(jí)枝狀硅納米線的制備方法，Sr變質(zhì)ZL102鋁硅共晶與恒電位選擇性腐蝕法相結(jié)合制備多級(jí)枝狀硅納米線的方法簡(jiǎn)單、成本低廉。通過控制Sr的添加量、保溫時(shí)間、添加溫度以及恒電位選擇性腐蝕工藝參數(shù)(如腐蝕時(shí)間、腐蝕電位等)可實(shí)現(xiàn)多級(jí)枝狀硅納米線的線徑、分支程度、長(zhǎng)度可控。本發(fā)明所述方法可以低成本大批量的制備多級(jí)枝狀硅納米線，且能夠有效的控制硅納米線的線徑、長(zhǎng)度、分支程度，制備出的多級(jí)枝狀硅納米線有望應(yīng)用于基于復(fù)雜的納電子器件中。
【IPC分類】H01L21/02, B82Y40/00, B82Y30/00
【公開號(hào)】CN104900486
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510196509
【發(fā)明人】趙志龍, 高建軍, 王文佳, 唐明, 韋路鋒, 劉樹磊, 崔凱, 王少毅, 李寧
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日