一种利用硅纳米线模板制备银纳米棒阵列结构材料的方法与流程

本发明属于纳米材料制备方法技术领域，特别涉及一种银纳米棒阵列结构材料的制备方法。

背景技术：

银纳米棒阵列具有优异的活性与独特的光学性能，是设计和构建新型纳米器件的基础材料。近年来，利用银纳米棒阵列结构制备具有“热点”效应的高活性表面增强拉曼散射基底材料受到研究人员的广泛关注。银纳米棒阵列的常见制备方法包括蒸镀法、电化学沉积法、水热法等。这些方法需要高温、高压及高真空的工艺条件，制备步骤较多，工艺不易控制，所以银纳米棒阵列结构的形貌、尺寸等参数不易进行调控。因此，银纳米棒阵列结构材料的可控制备技术需要进一步研究。模板法是实现银纳米棒阵列结构可控制备的有效途径。硅纳米线具有物化性能稳定且与现有的硅基材料制备工艺相兼容等优势，利用其纳米尺寸特征可用于进一步掩膜制备纳米材料。近年来，用硅纳米线模板已制备出金/硅核壳结构纳米线、镍纳米线、氧化硅纳米管阵列等材料。本发明利用硅纳米线阵列作为模板，采用无电极电镀沉积技术，在硅纳米线的尖端沉积生长银纳米棒，从而获得银纳米棒阵列。这种制备技术具有明显的优势：一方面，制备技术不需要昂贵的镀膜设备，不需要高温、高压、高真空的条件，工艺操作步骤简单。另一方面，银纳米棒阵列结构的尺寸可通过硅纳米线阵列模板的结构参数与无电极电镀工艺参数进行有效调控。因此，开发常温常压、工艺简单、可控的制备技术对推动银纳米棒阵列结构材料的实际应用具有促进意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种银纳米棒阵列结构材料的制备方法，其特征在于，采用硅纳米线阵列为模板，利用常温常压下的无电极电镀技术，在硅纳米线阵列模板表面制备出银纳米棒阵列，具体步骤如下：

a.硅片预处理：分别利用丙酮、乙醇以及去离子水超声清洗，去除硅表面油污污染物。利用7.3mol/l氢氟酸去除氧化层，再用去离子水冲洗，得到清洁的硅表面；

b.硅片表面溅射沉积银薄膜：采用离子溅射技术，在＜10^-4mbar的真空条件下，控制溅射电流与溅射时间，在硅片表面溅射沉积一定厚度的银薄膜，银薄膜应具有一定的薄膜形貌特征；

c.制备硅纳米线模板：配制由一定配比的氢氟酸和双氧水组成的刻蚀液，将沉积银薄膜后的硅片浸于15-25℃水浴的刻蚀液中，反应一定时间，会观察到硅片表面逐渐变黑；

d.去除硅纳米线模板中残余银：用30~65wt%硝酸浸泡10~20min，彻底去除残留在硅纳米线模板中的银，然后用去离子水冲洗干净；

e.硅纳米线模板表面形成氢键：用5wt%氢氟酸浸泡5~10min，去除硅表面的氧化层，并在硅纳米线模板表面形成氢键，去离子水冲洗干净，真空干燥；

f.无电极电镀沉积银纳米棒阵列：配制一定配比的氢氟酸和硝酸银组成的无电极电镀溶液，将硅纳米线模板浸于15-25℃水浴的无电极电镀溶液中，反应一定时间，在硅纳米线模板的表面沉积制备出银纳米棒阵列；

g.银纳米棒阵列的保存：用去离子水冲洗干净，真空干燥保存。

所述硅片为（100）取向n型单晶硅片，其电阻率在3~5ω·cm。

所述步骤b中溅射电流为10~15ma，溅射时间为45~60s。

所述步骤b中银薄膜的厚度为8~12nm，其形貌应具有连续岛状的薄膜形貌特征。

所述步骤c中刻蚀液配比为4~6mol/lhf,0.1~0.5mol/lh2o2。

所述步骤c中刻蚀时间为1~5min。

所述步骤f中无电极电镀溶液配比为4~5mol/lhf,0.01~0.03mol/lagno3,为了获得银纳米棒阵列结构材料。

所述步骤f中反应时间为20~60s（以水浴温度25℃为例）。

本发明的有益效果是采用本发明的方法可以在常温常压的条件下制备出银纳米棒阵列，获得银纳米棒阵列结构材料的成品率高。硅纳米线阵列模板的制备工艺与现有的单晶硅片制备工艺相兼容，用硅纳米线阵列模板制备的银纳米棒阵列结构稳固，不易从硅纳米线阵列的表面脱落。

附图说明

图1是在硅纳米线阵列模板的sem形貌。

图2是在硅纳米线阵列模板表面沉积形成的银纳米棒阵列结构的sem形貌。

具体实施方式

本发明提出一种银纳米棒阵列结构材料的制备方法。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。

实施例。

1.采用电阻率为3~5ω·cm、取向（100）的n型单晶硅片，在丙酮中超声清洗10min；在无水乙醇中超声清洗10min；采用去离子水冲洗2次，每次冲洗1min，然后在浓度为7.3mol/l的氢氟酸溶液中浸泡5min；去离子水冲洗2min，真空干燥。

2.在高真空条件下(＜10^-4mbar)，通过控制离子溅射的参数，溅射电流10ma、溅射时间50s，在预处理后的硅片表面溅射沉积，获得厚度为10nm的银薄膜，银薄膜的形貌为连续的岛状薄膜，这有利于下一步骤中硅纳米线阵列模板的形成。

3.把沉积有银薄膜的硅片浸入刻蚀液，刻蚀液由4~6mol/lhf和0.1~0.5mol/lh2o2组成，在恒温条件下反应一定时间，通过银薄膜催化刻蚀制备硅纳米线阵列模板；例如，在25℃的恒温水浴中，将沉积有银薄膜的硅片浸入由5mol/lhf和0.5mol/lh2o2组成的刻蚀液中，反应2min，获得硅纳米线阵列模板。

4.用30wt%硝酸浸泡15min，去除残余银，去离子水冲洗。再用5wt%氢氟酸浸泡10min，去离子水冲洗并干燥后，硅纳米线阵列模板的断面形貌如图1所示。

5.将硅纳米线阵列模板浸入无电极电镀溶液，无电极电镀溶液由4~6mol/lhf和0.01~0.03mol/lagno3组成，在恒温条件下反应一定时间，通过原电池反应在硅纳米线阵列表面形成银纳米棒阵列；例如，在25℃的恒温水浴中，将硅纳米线阵列模板浸入由4.5mol/lhf和0.02mol/lagno3组成的无电极电镀溶液中，反应45s，获得银纳米棒阵列。

6.去离子水冲洗并干燥后，银纳米棒阵列的形貌如图2所示。

本发明采用取向（100）的n型单晶硅片，表面清洗后采用离子溅射法，通过溅射电流与溅射时间控制银薄膜的厚度与形貌，在硅片表面溅射沉积具有连续岛状形貌特征的银薄膜。再采用湿法刻蚀技术，通过控制刻蚀液的浓度配比与刻蚀时间，制备出硅纳米线阵列模板。进一步采用无电极电镀法，通过控制溶液配比与反应时间，在硅纳米线阵列模板表面制备出银纳米棒阵列。

技术特征：

技术总结
本发明公开了属于纳米材料制备及方法技术领域的一种银纳米棒阵列结构材料的制备方法。本发明采用取向（100）的n型单晶硅片，结合离子溅射法和湿法刻蚀技术，制备出硅纳米线阵列模板。采用无电极电镀法，在硅纳米线阵列模板表面制备出银纳米棒阵列。本发明首次利用硅纳米线模板制备银纳米棒阵列，所制备的银纳米棒阵列结构的尺寸、形貌可通过硅纳米线阵列模板的结构参数、无电极电镀工艺参数进行调控。这种操作步骤简单、常温常压条件下的制备工艺，为新型银纳米结构的制备提供了新思路。

技术研发人员：白帆;胡赠彬;他德洪;苏海涛;黄蓁;潘媛;黄韵婷;孔涛
受保护的技术使用者：云南省产品质量监督检验研究院
技术研发日：2018.04.03
技术公布日：2019.10.01