電化學(xué)陽(yáng)極氧化納米晶多孔硅層的合成和表征研究

引言

本文采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法在p型取向硅片上形成多孔結(jié)構(gòu)。電化學(xué)蝕刻的多孔硅(PS)樣品在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)暴露于HCl溶液，導(dǎo)致該材料的穩(wěn)定和增強(qiáng)的發(fā)光。掃描電子顯微照片顯示了伴隨PS表面的HCl處理的深刻變化。通過幾何方法使用SEM圖像確定PS的孔隙率。有效介質(zhì)近似方法揭示了折射率隨著孔隙率的增加而減小。當(dāng)樣品陽(yáng)極氧化時(shí)，電解液中含有HCl材料表面上Si-H基團(tuán)的濃度有凈下降。在光致發(fā)光研究中觀察到在498 nm處的強(qiáng)可見發(fā)射峰，其相對(duì)于蝕刻參數(shù)的變化沒有明顯的偏移。

介紹

多孔硅(PS)由納米級(jí)尺寸的硅線和空隙的網(wǎng)絡(luò)組成，這些空隙是在恒定陽(yáng)極氧化條件下在氫氟酸基電解質(zhì)溶液中電化學(xué)蝕刻晶體硅晶片時(shí)形成的?？紫堵屎秃穸鹊木_控制允許定制多孔硅的光學(xué)性質(zhì)，并為光電子技術(shù)中的大量應(yīng)用打開了大門。

多孔硅由于其在可見光范圍內(nèi)的室溫光致發(fā)光而引起了極大的關(guān)注。然而，關(guān)于多孔硅表面的光致發(fā)光有兩種不同的假說。第一個(gè)包括量子限制效應(yīng)，這是由于分隔孔壁的窄晶體硅壁中的電荷載流子，第二個(gè)是由于作為源光發(fā)射的內(nèi)壁中捕獲的發(fā)光表面物質(zhì)的存在，第三個(gè)是由于表面限制的分子發(fā)射體即硅氧烷的存在。表面鈍化的作用對(duì)于確定多孔層的輻射效率非常重要。多孔硅結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和與現(xiàn)有硅技術(shù)的兼容性，因此具有廣泛的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，例如波導(dǎo)、1D光子晶體、化學(xué)傳感器、生物傳感器、光伏器件等。多孔硅的一些物理量如折射率、光致發(fā)光和電導(dǎo)率在暴露于化學(xué)物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈變化。

本文對(duì)電化學(xué)陽(yáng)極氧化納米晶多孔硅層的合成和表征進(jìn)行了研究。還研究了鹽酸腐蝕后處理對(duì)多孔硅性能的影響。

結(jié)論

掃描電鏡和EDAX分析

圖2顯示了多孔硅樣品在不同蝕刻時(shí)間的掃描電子顯微圖像，其中電解質(zhì)中的HCl含量。PS的掃描電子顯微照片顯示了由于陽(yáng)極蝕刻產(chǎn)生的輪廓分明的孔，具有非常明顯的邊界。

多孔硅樣品由海綿狀網(wǎng)絡(luò)通道組成，這些通道支撐著遍布孔內(nèi)表面的無數(shù)簇狀微觀突起。這種孔可以預(yù)期表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)，導(dǎo)致有效能隙的增加。掃描電子顯微照片顯示了伴隨PS表面的HCl處理的深刻變化。

圖3顯示了HCl處理的多孔硅的EDAX光譜。在光譜中，氯可能來自用于擴(kuò)孔處理的HCl酸的殘留物。

對(duì)氯化多孔硅進(jìn)行了光致發(fā)光(PL)研究，以了解表面鈍化對(duì)多孔硅的影響。發(fā)現(xiàn)用HCl處理能最有效地增強(qiáng)PL信號(hào)。圖8顯示了不同蝕刻時(shí)間的HCl處理的多孔硅樣品的PL光譜。發(fā)現(xiàn)所有樣品的發(fā)射峰都在約498 nm處。然而，可以看出，使用HCl蝕刻處理進(jìn)行氯化時(shí)，PL發(fā)射強(qiáng)度急劇降低。室溫下可見光范圍內(nèi)強(qiáng)PL光譜的出現(xiàn)可能歸因于納米硅中量子限制態(tài)之間的躍遷，這受到表面鍵的影響。

觀察到，當(dāng)在沸騰的CCl4中處理多孔硅時(shí)，即使沒有明顯的氧化，材料表面上Si-H基團(tuán)的濃度也有凈下降，并且在這種情況下，還發(fā)現(xiàn)光致發(fā)光強(qiáng)度有非常大的下降。

結(jié)論

通過在HF:乙醇溶液中電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕p型硅片制備了多孔硅樣品。將合成的PS樣品暴露于HCl溶液中不同的蝕刻時(shí)間。SEM研究證實(shí)了PS結(jié)構(gòu)中硅納米晶體和網(wǎng)絡(luò)的存在。EDAX光譜顯示氯化物在強(qiáng)光致發(fā)光區(qū)域結(jié)合到PS表面。有效介質(zhì)近似方法表明，多孔樣品的折射率隨著孔隙率的增大而減小。
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