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化学刻蚀法制备硅纳米线的研究

作　者: 周阳
导　师: 刘爱民
学　校: 大连理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 硅纳米线太阳能电池化学刻蚀法反射率
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纳米结构是当今科学技术发展前沿中,极具发展前景的研究领域；硅材料在太阳能电池领域中应用最为广泛。因此,硅纳米线作为一种新型的一维纳米半导体材料,其新颖的光学和电学特性备受关注,而对硅纳米线的研究也成为太阳能电池领域研究的热点之一。制备硅纳米线的常用方法有：激光烧蚀法,化学气相沉积法(CVD法)、氧化物辅助生长发、模板制备法、纯化学腐蚀法等等；其中化学腐蚀方法操作简单,设备要求低,比较适合制备一定数量的硅纳米线。目前多采用以氢氟酸和硝酸银溶液配制腐蚀溶液进行制备,技术也比较成熟；对依据同一制备原理的硝酸铁溶液刻蚀方法的研究则相对较少。而硝酸铁的成本仅仅是硝酸银的几十分之一,如此低廉的成本优势,决定了采用硝酸铁进行化学刻蚀制备硅纳米线具有重要的意义。本论文对硅纳米线的生长机理和制备方法进行了研究。在大量摸索实验的基础上,讨论了采用氢氟酸与硝酸铁腐蚀溶液进行湿法刻蚀硅纳米线的制备条件与范围。通过扫描电子显微镜对在室温下,不同腐蚀液浓度、不同腐蚀时间的样品进行检测,得到了硅纳米线的表面形貌。通过对样品的表面形貌进行分析,得出以下结论：1)由实验得到的硅纳米线的SEM图像和数据,我们得知在室温25℃下,采用浓度为0.2mol/L的HF与10mol/L Fe(NO3)3溶液配制的腐蚀溶液进行化学腐蚀45min,将得到形貌最好的硅纳米线阵列结构。在此最佳条件下制备的纳米线阵列,取向一致,结构均匀,纳米线平均长度约为6μm,纳米线直径为100-300nm,减反射效果良好。经测试分析,硅纳米线的反射率可达到5%以下。2)对比硝酸银腐蚀溶液法制备硅纳米线的SEM图,硝酸铁腐蚀溶液可制出长度可控、结构均匀、质量较好的硅纳米线,并具有成本低廉的突出优点。廉价的的硝酸铁溶液刻蚀法制备硅纳米线达到了很好的减反射目的,拥有很大的应用潜力。3)分析实验数据证明,在腐蚀溶液浓度一定的条件下,腐蚀时间越长,生成硅纳米线的长度越长,生长越趋于均匀；但得到硅纳米线反射率并非随着纳米线的增长,或者随着刻蚀时间的加长而降低,当腐蚀时间超过45min之后,反射率反而开始增大。因此在最佳腐蚀时间45min左右制得的硅纳米线质量最优。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 太阳能电池的发展概况  9-12
    1.1.1 太阳能概述  9-10
    1.1.2 太阳能电池的原理和发展现状  10-12
  1.2 硅太阳能电池和陷光结构  12-17
    1.2.1 硅太阳能电池概述  12-13
    1.2.2 硅太阳能电池的陷光结构  13-16
    1.2.3 单晶硅太阳能电池的金字塔绒面结构  16-17
  1.3 硅纳米线太阳能电池概述  17-19
    1.3.1 纳米科学与纳米材料  17-18
    1.3.2 纳米线结构  18-19
    1.3.3 硅纳米线太阳能电池  19
  本章小结  19-20
  1.4 本论文的主要研究内容  20-21
2 硅纳米线的特性、发展与应用  21-26
  2.1 硅纳米线的特殊物理性质  21-23
    2.1.1 场发射特性  21-22
    2.1.2 电子输运特性  22
    2.1.3 光学特性  22
    2.1.4 其他特性  22-23
  2.2 硅纳米线的发展和应用  23-25
    2.2.1 硅纳米线二极管、三极管和场效应晶体管(FET)  23-24
    2.2.2 硅纳米线传感器  24
    2.2.3 硅纳米线太阳能电池  24-25
  本章小结  25-26
3 硅纳米线太阳能电池的制备方法  26-32
  3.1 一维硅纳米线的制备方法  26-31
    3.1.1 激光烧蚀法(激光蒸发法)  26-27
    3.1.2 化学气相沉积(CVD)法  27-28
    3.1.3 氧化物辅助生长法  28-29
    3.1.4 模板法  29-30
    3.1.5 化学腐蚀法  30
    3.1.6 其他制备硅纳米线的方法  30-31
  本章小结  31-32
4. 一维硅纳米线的表征手段  32-36
  4.1 扫描电子显微镜(SEM)  32-33
  4.2 原子力显微镜(AFM)  33
  4.3 拉曼光谱  33-34
  4.4 X射线衍射(XRD)  34
  4.5 光致发光(PL)光谱  34-35
  本章小结  35-36
5. 化学腐蚀法制备硅纳米线  36-46
  5.1 化学腐蚀法制备硅纳米线  36-37
    5.1.1 硅片的预处理  36
    5.1.2 用HF/Fe(NO_3)_3腐蚀溶液制备硅纳米线  36-37
  5.2 用SEM对样品进行表征  37
  5.3 分析和讨论  37-45
    5.3.1 化学腐蚀方法制备硅纳米线的生长机理  37-39
    5.3.2 采用硝酸铁腐蚀溶液制备硅纳米线的形貌  39
    5.3.3 采用硝酸铁与硝酸银腐蚀溶液制备硅纳米线的形貌对比  39-41
    5.3.4 采用硝酸铁腐蚀溶液制备硅纳米线最佳条件的确定  41-44
    5.3.5 硅纳米线的反射率与腐蚀时间的关系  44-45
  本章小结  45-46
结论  46-47
参考文献  47-51
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  51-52
致谢  52-53

化学刻蚀法制备硅纳米线的研究

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