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引言

硅是一種具有許多特殊分子性質(zhì)的材料，可以作為許多化學(xué)器件的重要候選材料，如傳感系統(tǒng)和鋰離子電池的陽(yáng)極材料。然而，由于硅的低表面積，它并不被認(rèn)為是適合許多設(shè)備的材料。另一方面，多孔硅由于其獨(dú)特的表面、電學(xué)和光學(xué)性能，目前是一種非常適用的材料。一般來(lái)說(shuō)，多孔材料根據(jù)孔徑分為三類：大孔（大小在50nm以上）、中孔（50-2nm）和微孔（小于2nm）。近年來(lái)，中孔PSi的合成因其對(duì)從光電子學(xué)到電化學(xué)電源等一系列器件的良好制造特性而受到越來(lái)越多的關(guān)注。在本研究中，我們研究了多孔硅樣品在各種電化學(xué)蝕刻條件下的形態(tài)特征的變化，如電解質(zhì)組成和濃度、應(yīng)用電流密度和蝕刻時(shí)間。用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察了其形態(tài)學(xué)特性，并與蝕刻參數(shù)相關(guān)。

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實(shí)驗(yàn)

首先，通過(guò)化學(xué)拋光制備了摻硼型單晶硅片。這些晶圓用所謂的RCA方法進(jìn)行化學(xué)拋光。這些晶片隨后被氮?dú)飧稍铩Ｈ缓?，將硅晶片切?×1Cm2片。另外，在低電阻率樣品的1×1Cm2片的背面涂覆了一個(gè)500nm的鋁薄膜，提高了蝕刻電流密度的均勻性。測(cè)量到的硅基板電阻率范圍為0.01Ω。Cm~12Ω。Cm。通過(guò)RCA清洗的硅基底電化學(xué)蝕刻制備多孔硅樣品。兩種組分溶液的電解質(zhì)由HF、乙醇和去離子水組成。電化學(xué)蝕刻是在10mA/Cm2~50mA/Cm2范圍內(nèi)進(jìn)行的電化學(xué)蝕刻。蝕刻時(shí)間從5分鐘到30分鐘不等。電化學(xué)蝕刻電池由一個(gè)如圖1所示的聚四氟乙烯壁容器組成。蝕刻后的樣品在蝕刻后用薄片組織干燥。

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圖1電化學(xué)蝕刻電池的示意圖表示

結(jié)果和討論

圖2顯示了電化學(xué)蝕刻在HF：乙醇溶液中以1：5、1：4和1：3比制備的多孔硅的S電鏡圖像。硅樣品的電阻范圍在8Ω。Cm~12Ω。Cm之間，導(dǎo)致硅的宏觀孔隙度。圖2-a描繪了一個(gè)均勻的平面，由于成分比（1：5）和低電流密度，它沒(méi)有被完全蝕刻。低濃度的HF導(dǎo)致了少量的多孔層，而我們的掃描電鏡顯微鏡無(wú)法檢測(cè)到。圖2-b顯示了采用較高的HF體積比（1：4）制備的樣品的海綿狀微米孔隙。如果電流密度和HF組成比同時(shí)增加，則海綿狀形態(tài)將被破壞，如圖2-c所示。

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圖 2

在電化學(xué)蝕刻過(guò)程中，電流密度對(duì)中多孔硅樣品的孔隙寬度有重要影響。圖4-a-4-d顯示了不同電流密度的多孔硅樣品和人的FESEM顯微圖。HF/乙酯的相同化學(xué)比例為1：3。將電流密度從10mA/Cm2增加到40mA/Cm2，導(dǎo)致孔徑分別從圖4-a中的9nm增加到圖4-c中的23nm。結(jié)果表明，隨著孔徑的增大，初始小孔隙與一個(gè)大孔隙合并，比表面積減小，以及早期孔隙壁的破碎，導(dǎo)致更大的孔隙形成。另一方面，電流密度的值決定了硅與電解質(zhì)界面層發(fā)生電化學(xué)蝕刻反應(yīng)的速率。外加電流密度的數(shù)量越高，初始凹坑寬度越寬，導(dǎo)致大孔自組裝。

刻蝕時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)對(duì)深層硅層的腐蝕，并有足夠的時(shí)間與襯底反應(yīng)。圖3描述了在前層后面觀察到的中孔硅內(nèi)部層的情況。似乎蝕刻時(shí)間的增加導(dǎo)致孔隙深度的增加，而施加電流密度的增加導(dǎo)致孔隙寬度的增加。

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結(jié)論

結(jié)果表明，多孔硅的形貌與蝕刻參數(shù)極為相關(guān)。不同的電流密度導(dǎo)致不同的孔隙大小，而蝕刻時(shí)間導(dǎo)致不同的孔隙深度。兩分量溶液的孔隙尺寸隨電流密度的增加而單調(diào)增大，三分量溶液的孔隙尺寸呈指數(shù)增大。這種通過(guò)控制蝕刻參數(shù)的自組裝電化學(xué)工藝引起的調(diào)諧工藝適用于多孔薄膜的制備。