多孔硅的制备

多孔硅的制备与表征1多孔硅的制备与表征[摘要]多孔硅（PorousSi）是一种具有纳米多孔结构的材料，可以通过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧化来获得。多孔硅由于原料储备大，制作工艺简单，是一种很有潜力的材料。同时，多孔硅作为一种硅基纳米发光材料，由于具有与现有硅芯片集成容易、研制成本低以及发射光均匀、多色等优点而被国内外科学家广泛研究，现已成为20世纪90年代以来硅基纳米材料的主要代表。本论文在进行大量的文献调研基础上，对多孔硅的发展历史、形成机理、分类方法、制备方法及应用方向等进行了简要概述。本论文研究了多孔硅的制备技术和表征，用比较简单且经济实惠的方法制备了多孔硅，并比较了在不同条件下制得的多孔硅形貌特征和结构差异。[关键词]多孔硅；电化学方法；结构；光致发光PreparationandCharacterizationofthePorousSiliconElectronicInformationEngineeringSpecialtySIWen-fangAbstract:Poroussilicon(PS)isamaterialwithnanoporousstructure.Itcanbeobtainedthroughthecrystallinesiliconoramorphoussiliconanodicoxidationinhydrofluoricacid.Becauseofitsbigrawmaterialsreserveandsimplemanufacturingprocess,poroussiliconisapotentialmaterial.Atthesametime,asasilicon-basedmaterialwithlight-emittingfunction,poroussiliconhasbeenwidelyresearchedbyscientistsalloftheworldandbecomesarepresentofsilicon-basednanometermaterialsbecauseofitsmerits,suchaseasyintegratingwithsiliconchips,lowcost,severalcolorslightemittingetc.Basedonalotofliteratureinvestigation,thedevelopmenthistory,theformingmechanism,classification,preparationmethodandtheapplieddirectionoftheporoussiliconisbrieflyreviewedinthispaper.Thepreparationtechnologyandcharacterizationofporoussiliconisresearchedinthispaper.Asimpleandeconomicalmethodofthepreparationisusedintheexperiment.Besides,theappearancecharacteristicsandstructuraldifferencesoftheporoussiliconindifferentconditionsarediscussedinthispaper.Keywords:Poroussilicon;electrochemicalmethod;structure;photoluminescence多孔硅的制备与表征2目录1引言....................................................................12多孔硅基本原理与概述....................................................12.1多孔硅发展历史....................................................12.2.1Beale耗尽模型..............................................22.2.2扩散限制模型................................................22.2.3量子限制模型................................................22.3多孔硅的分类......................................................42.4多孔硅的制备方法..................................................52.4.1阳极腐蚀法..................................................52.4.2水热腐蚀法..................................................62.4.3火花放电法..................................................72.4.4化学腐蚀法..................................................72.5多孔硅的应用......................................................73多孔硅制备的实验过程....................................................83.1仪器和试剂........................................................83.2单晶硅片清洗......................................................83.3多孔硅制备........................................................83.4多孔硅表面处理....................................................93.4.1阳极氧化表面处理法.........................................103.4.2阴极还原表面处理法.........................................104多孔硅的微结构研究.....................................................104.1制备多孔硅的实验结果对比.........................................104.2多孔硅微表面和横截面形貌研究.....................................114.2.1多孔硅AFM表面形貌研究.....................................124.2.2多孔硅表面三维形貌研究.....................................124.2.3多孔硅表面二维形貌研究.....................................144.3多孔硅SEM截面形貌研究...........................................154.4多孔硅SEM表面形貌研究...........................................185多孔硅光电特性的分析...................................................195.1概述.............................................................195.2多孔硅的光致发光.................................................205.2.1多孔硅发光谱研究...........................................205.2.2多孔硅发光机理.............................................21结束语...................................................................23参考文献.................................................................24致谢......................................................错误!未定义书签。多孔硅的制备与表征11引言多孔硅（PS）是一种具有纳米多孔结构的材料，可以通过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧化来获得。多孔硅表面积与体积比很大。可以作为一种新型的可见光发光材料，对人们有很大吸引力。多孔硅具有法布里珀罗干涉效应，可制成光学传感器。加州大学圣地亚哥分校的M.Sailor教授是该领域著名科学家。国内，浙江大学邬建敏课题组也处于该领域前列。多孔硅制作工艺简单，制备方法也多种多样，如阳极腐蚀法、水热腐蚀法、火花放电法、化学腐蚀法等。其中，电化学腐蚀法是多孔硅制备中使用最早也最为广泛的一种。在该方法中使用铂电极或石墨作为阴极、单晶硅片作为阳极,在HF溶液中进行电化学腐蚀，从而制得多孔硅。有恒电流模式和恒电压模式两种,一般多采用恒电流模式,因为恒电流模式能够更好地控制PS的厚度和孔隙度,重复性好。这种方法形成的PS均匀,而且操作简便。2多孔硅基本原理与概述2.1多孔硅发展历史早在1956年贝尔实验室的Uhlir就首先发现硅在HF酸中经电化学腐蚀会形成多孔硅[1]，并对其微结构和电学性质做了大量的研究，但对其光学性质研究不够。1984年，Pickering等发现多孔硅有发光现象[2]，但将发光原因归于多孔硅的非晶态结构而未引起重视。20世纪80年代后期，由于大规模集成电路的高度发展，其器件已趋向物理极限，发展光电子集成的迫切性增大;加之纳米材料科学研究正步入高潮，人们对其小尺寸效应有极大兴趣。直到1990，Canham将多孔硅在HF溶液中进一步腐蚀数小时后[3]，用蓝光或紫外光照射多孔硅材料，在室温条件下观察到了很强的红光，从而改变了硅不能用于光电子领域的传统观念，展示了把微电子和光电子集成于同一硅片上的可能性。从此，对多孔硅的研究成为了材料科学领域的一个新热点[4]。2.2多孔硅的形成机理电化学阳极氧化通常情况下是一种抛光过程，阳极样品的凸出部分在电场的作用下会最先受到腐蚀，样品表面逐渐脱落，起到抛光的作用。但是，当这一过程中，阳极氧化电流小于某一值时，单晶硅表面会形成一种多孔结构，即多孔硅。一般认为，多孔硅的生成过程比较复杂，目前仍不完全清楚，大多研究人员较为赞同的一种观点是:多孔硅的形成是由于HF酸中F离子在硅半导体中空穴的协助下，攻多孔硅的制备与表征2击Si-H键及Si-Si键;硅表面原子被分解形成游离的4SiF及2H；4SiF不断掉入腐蚀液中而使硅基体本身形成孔洞。反应过程方程式如下：_2)2(22eHSiFhHFSi（1）2422HSiFHFSiF（2）6242SiFHHFSiF（3）总反应式为:HHSIFHFHSi46222（4）式中h代表空穴。目前，解释多孔硅形成过程的模型主要有三个，分别是Beale耗尽模型、扩散限制模型和量子限制模型。2.2.1Beale耗尽模型硅原子在HF酸溶液中被腐蚀掉需要有空穴参与。Beale认为[5]多孔硅的费米能级钉扎在禁带中央附近，硅和HF酸溶液以肖特基形式接触，界面处形成一个耗尽层。Bea