一種利用液態(tài)源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用液態(tài)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(shù)領(lǐng)域】。該方法包括如下步驟：將襯底在沉積室內(nèi)加熱到指定溫度，通過液態(tài)源霧化法將催化劑溶液霧化并噴入沉積室內(nèi)，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(nèi)并置于保護(hù)氣體環(huán)境中進(jìn)行熱處理，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后用酸液對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，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(shí)間抽真空的問題，因而能夠顯著提高硅納米線的生產(chǎn)效率，降低成本，有利于規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說明】一種利用液態(tài)源霧化沉積催化劑制備硅納米線的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納米材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種利用液態(tài)源霧化沉積催化劑制備硅 納米線的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 硅是最常用的半導(dǎo)體材料，是當(dāng)今電子、信息產(chǎn)業(yè)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(yīng)、高的比表面積、高的表面活性， 在電子器件、太陽能光伏發(fā)電、高容量鋰離子電池、傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和市場前 景。而且，硅納米線與現(xiàn)有硅材料技術(shù)具有極好的兼容性，進(jìn)而在技術(shù)研發(fā)、認(rèn)知度和應(yīng)用 市場方面具有極大的先天優(yōu)勢。因此，它與碳納米管、石墨烯等熱門材料一樣，受到國內(nèi)外 科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。
[0003] 硅納米線的常見制備方法包括：化學(xué)氣相反應(yīng)沉積、化學(xué)腐蝕法、一氧化硅熱蒸發(fā) 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(hù)氣氛下進(jìn)行熱處理，硅納米線借助催化劑的輔助通過 固-液-固機(jī)制進(jìn)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(shí)現(xiàn)，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(jìn)行，前期需要長時(shí)間的抽真空以達(dá)到符合要求的高真空條 件，導(dǎo)致襯底制備效率低，影響硅納米線的生產(chǎn)效率。
[0004] 本發(fā)明是在常壓環(huán)境下，通過液態(tài)源霧化工藝將催化劑溶液噴入沉積室內(nèi)，通過 控制催化劑溶液種類、濃度，霧化速率、襯底溫度，實(shí)現(xiàn)快速、高效的硅納米線生長襯底制 備，然后通過高溫?zé)崽幚矸绞缴L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(jié)省大量抽真空時(shí)間，也易于實(shí)現(xiàn)生長襯底的連續(xù)化制備。這對(duì)于規(guī)?；a(chǎn)硅 納米線具有積極意義，能夠極大的提高生產(chǎn)效率，降低成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)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(shí)間，提高生產(chǎn) 效率，解決當(dāng)前娃納米線生產(chǎn)成本過高的問題。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 將襯底放入沉積室內(nèi)并加熱至30?300°C，在室溫下按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制催化 劑溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧化成液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶 液的霧化消耗速率為1?60毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入保護(hù)氣體后升溫至600?1500°C進(jìn)行 熱處理，熱處理時(shí)間為10?180分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為40?98%的酸液對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，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(tài)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(tài)源的催化劑液溶，其濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù) 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(hù)氣體包括氬氣、氮?dú)?、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(shù)相比，本發(fā)明無 需真空環(huán)境即可實(shí)現(xiàn)襯底上催化劑膜的制備，極大的縮短了襯底制備時(shí)間，提高了硅納米 線的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。所合成的硅納米線具有長徑比大、生長密集的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 附圖1所示為實(shí)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(dá)到25-1000。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)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(nèi)并加熱至200°C， 在室溫下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1%的氯金酸溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源 霧化成液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化消耗速率為1毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入氬氣后 升溫至1200°C進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為100分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然 后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%的硝酸和鹽酸的混酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中 性，干燥后即得到硅納米線。
[0019] 實(shí)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(nèi)并加熱至300°C，在室 溫下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的硝酸銀溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧化成 液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化消耗速率為5毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入氫氣后升溫至 1KKTC進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為60分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為40%的硝酸和氫氟酸的混酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中性， 干燥后即得到硅納米線。
[0021] 實(shí)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(nèi)并加熱至150°C，在室 溫下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硝酸鎳溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧化成 液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化消耗速率為20毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入氮?dú)夂笊郎刂?1300°C進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為30分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅 納米線。
[0023] 實(shí)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(nèi)并加熱至30°C，在室 溫下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸鐵溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧化成 液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化消耗速率為1毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入氦氣后升溫至 1500°C進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為10分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為50%的鹽酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅 納米線。
[0025] 實(shí)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(nèi)并加熱至KKTC，在 室溫下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 1 %的硝酸銅溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧 化成液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化消耗速率為60毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入氨氣后升 溫至1000°C進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為120分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的高氯酸和硝酸的混酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中 性，干燥后即得到硅納米線。
[0027] 實(shí)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(nèi)并加熱至70°C，在 室溫下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5%的硝酸鋁溶液作為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧 化成液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化消耗速率為30毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入氬氣后升 溫至600°C進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間為180分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的硝酸對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中性，干燥后即得 到娃納米線。
【權(quán)利要求】
1. 一種利用液態(tài)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(nèi)并加熱至30?30(TC，在室溫下按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制催化劑溶液作 為液態(tài)源，通過霧化器將所配制的液態(tài)源霧化成液滴并噴入沉積室內(nèi)，液態(tài)源溶液的霧化 消耗速率為1?60毫升/分鐘，持續(xù)時(shí)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(nèi)，通入保護(hù)氣體后升溫至600?1500°C進(jìn)行熱處理， 熱處理時(shí)間為10?180分鐘，熱處理結(jié)束冷卻至室溫后取出襯底，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40? 98%的酸液對(duì)襯底進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)，再用超純水清洗至中性，干燥后即得到硅納米線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(tài)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(tài)源的催化劑液溶，其濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1?10%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(hù)氣體包括氬氣、氮?dú)?、氫氣、氨氣、氦氣中的一種或其任意組合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用液態(tài)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(hào)】B82Y40/00GK104085892SQ201410184223
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】唐志娟, 王亞莉, 匡泉森 申請(qǐng)人:資興市硅納新材有限公司, 匡泉森