金屬輔助化學蝕刻製備矽奈米線：H2O2 濃度的影響

摘要

光催化因其在利用太陽能降解有機汙染物和開發新能源方面的潛在優勢而備受關注。作為一種傳統的光催化劑，半導體二氧化鈦在光催化方面具有巨大的潛力，但其寬頻隙（3。2 eV）限制了光能的利用。矽材料具有寬的光吸收範圍、高的光吸收效率和高的電子遷移率，因其在光伏和光催化領域的重要應用而成為一種極具潛力的光電轉換材料。矽結構的實現，特別是奈米線陣列的製備，對於高效量子器件、光電器件、電子和光學感測器的開發和生產具有重要意義。

本文以單晶矽片為基體，銀為催化劑，氫氟酸和過氧化氫為刻蝕溶液，採用溼法化學刻蝕法制備矽奈米線陣列。此外，在我們的研究中，我們發現H2O2濃度的增加會影響奈米線的形貌和表面特性，這可能會影響其光吸收和光催化效能。

結果和討論

為了研究氮化矽陶瓷的形貌和結構，進行了掃描電鏡和透射電鏡測量。10%氮化矽陶瓷的掃描電鏡圖如圖1所示。從圖1a可以明顯地看出，得到了具有一些聚集束的SiNWs。基於橫截面掃描電鏡影象（圖1c），奈米線約為13至16微米的長度垂直於襯底表面。數字1d是氮化矽陶瓷的放大截面圖，顯示直徑約為130至170奈米，導線均勻且筆直。這些形貌特徵表明，透過矽片上的刻蝕反應，實現了矽奈米線結構。與矽塊體材料相比，所製備的奈米線陣列為其光電和光催化效能的提高奠定了可靠的結構基礎。

圖2比較了裸矽片和10%氮化矽樣品的紫外-可見吸收和漫反射。圖2a表明10%的氮化矽表現出優異的抗反射效能，對於寬範圍的波長，反射率低於3%。這可能歸因於由SiNW奈米結構的構造引起的光俘獲效應，導致入射光在多個奈米線陣列中被反射和折射，並最終被有效地吸收。矽晶片對於200至800奈米的波長顯示出超過30%的反射，並且在紫外區域的反射可以高達64%。如圖2所示，透過標準的，方法從反射光譜轉換吸收光譜，從中可以看出，在整個紫外和可見光範圍內，10%的矽晶片的吸附強度明顯強於裸矽晶片。結果表明，矽奈米線結構的構建極大地提高了光學效能和光吸收效能。

如圖8a所示，當沉積有銀奈米顆粒的矽襯底浸入HF-H2O2蝕刻溶液中時，以H2O2為空穴給體和氧化劑，由與銀奈米顆粒接觸的矽連續形成二氧化矽，並被HF溶解，導致銀顆粒下沉。隨著銀奈米粒子周圍的矽不斷氧化和溶解，矽襯底被蝕刻以形成矽奈米線。先前的資料表明，在金屬輔助蝕刻中，垂直奈米線的形成與銀奈米粒子周圍的蝕刻限制有關。矽表面的銀奈米粒子可以催化矽襯底周圍和下方的刻蝕反應形成凹坑，然後在重力作用下沉入凹坑，因此刻蝕反應是沿垂直方向進行的。

隨著在刻蝕過程中作為空穴給體和氧化劑的H2O2濃度的增加，銀奈米顆粒周圍的矽的氧化速度增加，導致矽的水平刻蝕速度增加。當蝕刻溶液中H2O2濃度達到20%時，如圖8c所示，銀奈米顆粒周圍的更多矽將被氧化成二氧化矽，然後被氟化氫溶解，導致水平蝕刻速度增加，這導致20%的氮化矽具有擴散構型和低奈米線密度，奈米線間距增大（圖8d）。當H2O2的濃度進一步增加到30%時，水平蝕刻速度更高程度地增加，並克服銀奈米粒子的重力來移動其位置，偏離垂直方向（圖8e）。最後，製備的矽奈米線沒有呈現矽奈米線陣列的預期形態，而是在矽基底上呈現無序的多孔結構（圖8f ）。

總結

透過簡單、方便、可控的金屬輔助化學刻蝕方法，成功製備了氮化矽陶瓷。形成機制、電學效能，光學效能以及光催化效能也進行了研究。光電化學結果表明，矽奈米線結構的形成大大提高了光電效能。透過改變刻蝕液中H2O2的濃度，我們分別得到了10%、20%和30%不同形貌的高密度奈米線陣列、低密度奈米線陣列和混沌多孔奈米結構。光催化研究表明，20%的氮化矽陶瓷表現出比10%和30%的氮化矽陶瓷更高的光催化活性，這可以歸因於適當的奈米線密度，矽含量和光催化劑的接觸面積的影響以及RhB的最佳化。