1 内蒙古工业大学化工学院, 呼和浩特 010051
2 内蒙古自治区煤基固废高效循环利用重点实验室, 呼和浩特 010051
多孔硅具有比表面积大、发光性能良好等特点, 目前对于多孔硅的研究已经涉及到生物与化学传感器、药物递送、光催化、能源等领域。多孔硅中的孔隙可有效缓解硅在锂化时的体积膨胀, 缩短锂离子从电解液向硅本体扩散的距离, 促进高电流密度下的充放电过程。因此, 多孔硅在储能领域得到了广泛研究与发展。但是一些挑战仍然存在, 如制备成本、刻蚀机理、多孔结构的调控、多孔硅的电化学性能等还不能满足商业化应用的要求。本文对目前国内外多孔硅制备方法的研究进行了综述, 并详细介绍了多孔硅在锂离子电池领域的应用。最后, 对多孔硅材料在储能领域的发展进行了展望。
锂电池 负极材料 多孔结构 金属辅助化学腐蚀法 碳催化 lithium battery anode material porous structure metal-assisted chemical etching carbon catalysis
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Electronic Manufacturing Technology and Equipment, School of Electromechnical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, People’s Republic of China
2 School of Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Shatin, Hong Kong
3 Guangdong ADA Intelligent Equipment Ltd, Foshan 510006, People’s Republic of China
4 Institute of Business Analysis and Supply Chain Management, College of Management, Shenzhen University, Shenzhen, People’s Republic of China
5 School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, United States of America
Solid-state nanopores with controllable pore size and morphology have huge application potential. However, it has been very challenging to process sub-10 nm silicon nanopore arrays with high efficiency and high quality at low cost. In this study, a method combining metal-assisted chemical etching and machine learning is proposed to fabricate sub-10 nm nanopore arrays on silicon wafers with various dopant types and concentrations. Through a SVM algorithm, the relationship between the nanopore structures and the fabrication conditions, including the etching solution, etching time, dopant type, and concentration, was modeled and experimentally verified. Based on this, a processing parameter window for generating regular nanopore arrays on silicon wafers with variable doping types and concentrations was obtained. The proposed machine-learning-assisted etching method will provide a feasible and economical way to process high-quality silicon nanopores, nanostructures, and devices. Supplementary material for this article is available online
sub-10 nm silicon nanopore array metal-assisted chemical etching silica-coated gold nanoparticles self-assembly machine learning International Journal of Extreme Manufacturing
2021, 3(3): 035104
1 1.西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室, 西安 710049
2 2.西安交通大学 电子科学与工程学院, 西安 710049
3 3.生态环境部核与辐射安全中心, 北京 100082
量子限制效应使硅纳米线具有良好的场致发射特性, 结合多孔硅的准弹道电子漂移模型可提高场发射器件的性能。传统的金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的效率较低, 本研究在传统方法的基础上引入恒流源, 提出电催化金属辅助化学刻蚀法, 高效制备了硅纳米线/多孔硅复合结构。在外加30 mA恒定电流的条件下, 硅纳米线的平均制备速率可达308 nm/min, 较传统方法提升了173%。研究了AgNO3浓度、刻蚀时间和刻蚀电流对复合结构形貌的影响规律; 测试了采用电催化金属辅助化学刻蚀法制备样品的场发射特性。结果显示样品的阈值场强为10.83 V/μm, 当场强为14.16 V/μm时, 电流密度为64 μA/cm2。
电化学 金属辅助化学刻蚀法 硅纳米线 多孔硅 场发射 electrochemistry metal assisted chemical etching silicon nanowire porous silicon field emission
1 中国科学院固体物理研究所 材料物理重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 合肥 230026
采用金属辅助化学刻蚀方法结合纳米球模板技术制备出了有序硅纳米线阵列。硅纳米线阵列经过高温热氧化形成一定厚度的氧化层, 再使用稀释的HF溶液去除表面氧化层得到可控直径/周期比、低孔隙密度的有序纳米线阵列。主要研究了氧化温度、氧化时间对硅纳米线形貌的影响, 并根据扩展的Deal-Grove模型计算了硅纳米线氧化层厚度与氧化时间的关系, 讨论了氧化过程中应力分布的影响, 理论计算结果与实验结果一致。最后, 采用两步氧化的方法制备出了低直径/周期比(约0.1)、低孔隙密度的有序硅纳米线阵列。
金属辅助化学刻蚀 热氧化 低直径/周期比 硅纳米线 扩展Deal-Grove模型 metal-assisted chemical etching thermal oxidation low diameter-to-pitch ratio silicon nanowire extended Deal-Grove model
1 海军驻南京地区航空军事代表室, 南京 210012
2 中国电子科技集团公司第五十五研究所, 南京 210016
为增强晶体硅太阳能电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线(Silicon nanowires, SiNWs)阵列的光学特性。首先运用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)方法对硅纳米线阵列在300~1100 nm波段的吸收率进行了模拟计算, 并对硅纳米线阵列的光吸收效率进行了优化计算。结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为600 nm, 填充比为0.7时硅纳米线阵列的光吸收效率最大, 可达32.93%。然后采用金属催化化学刻蚀(Metal Assisted Chemical Etching, MACE)的方法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备了不同结构的硅纳米线阵列, 并测试了其反射率R, 并对实验结果进行了分析, 表明硅纳米线阵列相对于单晶硅薄膜, 其减反射增强吸收的效果明显。因此, 在硅表面制备这种具有特殊形貌的微结构不仅能降低太阳电池的制造成本, 同时还能大幅降低晶体硅表面的光反射, 增强光吸收, 提高电池的光电转换效率。
硅纳米线阵列 光吸收效率 时域有限差分法 金属催化硅化学刻蚀 silicon nanowire arrays light absorption efficiency FDTD metal-assisted chemical etching
1 海军装备部驻重庆地区军事代表局， 重庆 400060
2 重庆光电技术研究所， 重庆 400060
与平面硅相比，黑硅对0.25~2.5μm波长光具有高吸收特性。为了提高硅光敏二极管的近红外灵敏度和响应时间，采用金属辅助刻蚀在光敏二极管探测器背面制作了黑硅微结构。在1064nm波长，探测器红外响应达到0.518A/W，比常规探测器量子效率提高了65%。
金属辅助刻蚀 黑硅 光敏二极管 量子效率 metal-assisted chemical etching black silicon photodiode quantum efficiency
中国科学院固体物理研究所 中国科学院材料物理重点实验室, 合肥230031
Au在Si表面的成膜质量对金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线至关重要。以Ti、Cr作为浸润层, 可显著改善Au在硅表面的成岛趋势, 获得优质的Au膜并大幅度减少Au的使用量。同时, 针对加入Ti、Cr后对Au辅助化学刻蚀影响的研究表明, Cr在刻蚀液中是稳定的, 因此阻碍了Au催化刻蚀反应, 而Ti与反应溶液快速反应, 不影响Au对Si衬底化学刻蚀的催化作用。基于以上工作, 以PS球为模板沉积制备Ti/Au(3nm/20nm)优质膜, 使用金属辅助化学刻蚀, 制备了有序的Si纳米线阵列。
Au膜 金属辅助化学刻蚀 Si纳米线 浸润层 低成本 Au film metal-assisted chemical etching(MACE) Si nanowires wetting layer low-cost
1 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院, 北京 100039
3 长春理工大学 材料科学与工程学院, 吉林 长春 130022
用一种低成本的方法制备出了树形结构Si/ZnO纳米线阵列。首先在室温条件下用金属辅助化学腐蚀法在Si(100)衬底上制备了Si纳米线阵列, Si纳米线的直径尺寸及分布都很均匀, 通过改变腐蚀时间, 能够得到高度不同的Si纳米线阵列。利用磁控溅射在Si纳米线表面制备一层ZnO薄膜, 然后利用水热法在Si纳米线阵列上生长了ZnO纳米线。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和光致发光(PL)测试对样品进行了表征。通过这种方法制备的Si/ZnO复合结构在太阳能电池、光催化等领域有潜在应用价值。
金属辅助化学腐蚀 水热法 纳米线阵列 ZnO ZnO Si Si metal-assisted chemical etching hydrothermal method nanowire arrays
