电化学阳极氧化纳米晶多孔硅层的合成和表征研究

引言

本文采用电化学阳极氧化法在p型取向硅片上形成多孔结构。电化学蚀刻的多孔硅(PS)样品在设定的时间间隔内暴露于HCl溶液，导致该材料的稳定和增强的发光。扫描电子显微照片显示了伴随PS表面的HCl处理的深刻变化。通过几何方法使用SEM图像确定PS的孔隙率。有效介质近似方法揭示了折射率随着孔隙率的增加而减小。当样品阳极氧化时，电解液中含有HCl材料表面上Si-H基团的浓度有净下降。在光致发光研究中观察到在498 nm处的强可见发射峰，其相对于蚀刻参数的变化没有明显的偏移。

介绍

多孔硅(PS)由纳米级尺寸的硅线和空隙的网络组成，这些空隙是在恒定阳极氧化条件下在氢氟酸基电解质溶液中电化学蚀刻晶体硅晶片时形成的。孔隙率和厚度的精确控制允许定制多孔硅的光学性质，并为光电子技术中的大量应用打开了大门。

多孔硅由于其在可见光范围内的室温光致发光而引起了极大的关注。然而，关于多孔硅表面的光致发光有两种不同的假说。第一个包括量子限制效应，这是由于分隔孔壁的窄晶体硅壁中的电荷载流子，第二个是由于作为源光发射的内壁中捕获的发光表面物质的存在，第三个是由于表面限制的分子发射体即硅氧烷的存在。表面钝化的作用对于确定多孔层的辐射效率非常重要。多孔硅结构具有良好的机械强度、化学稳定性和与现有硅技术的兼容性，因此具有广泛的潜在应用领域，例如波导、1D光子晶体、化学传感器、生物传感器、光伏器件等。多孔硅的一些物理量如折射率、光致发光和电导率在暴露于化学物质时会发生剧烈变化。

本文对电化学阳极氧化纳米晶多孔硅层的合成和表征进行了研究。还研究了盐酸腐蚀后处理对多孔硅性能的影响。

结论

扫描电镜和EDAX分析

图2显示了多孔硅样品在不同蚀刻时间的扫描电子显微图像，其中电解质中的HCl含量。PS的扫描电子显微照片显示了由于阳极蚀刻产生的轮廓分明的孔，具有非常明显的边界。

多孔硅样品由海绵状网络通道组成，这些通道支撑着遍布孔内表面的无数簇状微观突起。这种孔可以预期表现出量子限制效应，导致有效能隙的增加。扫描电子显微照片显示了伴随PS表面的HCl处理的深刻变化。

图3显示了HCl处理的多孔硅的EDAX光谱。在光谱中，氯可能来自用于扩孔处理的HCl酸的残留物。

对氯化多孔硅进行了光致发光(PL)研究，以了解表面钝化对多孔硅的影响。发现用HCl处理能最有效地增强PL信号。图8显示了不同蚀刻时间的HCl处理的多孔硅样品的PL光谱。发现所有样品的发射峰都在约498 nm处。然而，可以看出，使用HCl蚀刻处理进行氯化时，PL发射强度急剧降低。室温下可见光范围内强PL光谱的出现可能归因于纳米硅中量子限制态之间的跃迁，这受到表面键的影响。

观察到，当在沸腾的CCl4中处理多孔硅时，即使没有明显的氧化，材料表面上Si-H基团的浓度也有净下降，并且在这种情况下，还发现光致发光强度有非常大的下降。

结论

通过在HF:乙醇溶液中电化学阳极腐蚀p型硅片制备了多孔硅样品。将合成的PS样品暴露于HCl溶液中不同的蚀刻时间。SEM研究证实了PS结构中硅纳米晶体和网络的存在。EDAX光谱显示氯化物在强光致发光区域结合到PS表面。有效介质近似方法表明，多孔样品的折射率随着孔隙率的增大而减小。
 

　　审核编辑：汤梓红