多孔硅的不同制备方法及其光致发光

多孔硅的制备与表征[摘要]多孔硅（Porous Si）是一种具有纳米多孔结构的材料，可以通过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧化来获得。

多孔硅由于原料储备大，制作工艺简单，是一种很有潜力的材料。

同时，多孔硅作为一种硅基纳米发光材料，由于具有与现有硅芯片集成容易、研制成本低以及发射光均匀、多色等优点而被国内外科学家广泛研究，现已成为20世纪90年代以来硅基纳米材料的主要代表。

本论文在进行大量的文献调研基础上，对多孔硅的发展历史、形成机理、分类方法、制备方法及应用方向等进行了简要概述。

本论文研究了多孔硅的制备技术和表征，用比较简单且经济实惠的方法制备了多孔硅，并比较了在不同条件下制得的多孔硅形貌特征和结构差异。

[关键词]多孔硅；电化学方法；结构；光致发光Preparation and Characterization of the Porous Silicon Electronic Information Engineering Specialty SI Wen-fang Abstrac t: Porous silicon(PS) is a material with nanoporous structure. It can be obtained through the crystalline silicon or amorphous silicon anodic oxidation in hydrofluoric acid. Because of its big raw materials reserve and simple manufacturing process, porous silicon is a potential material. At the same time, as a silicon-based material with light-emitting function, porous silicon has been widely researched by scientists all of the world and becomes a represent of silicon-based nanometer materials because of its merits, such as easy integrating with silicon chips, low cost, several colors light emitting etc.Based on a lot of literature investigation, the development history, the forming mechanism, classification, preparation method and the applied direction of the porous silicon is briefly reviewed in this paper. The preparation technology and characterization of porous silicon is researched in this paper. A simple and economical method of the preparation is used in the experiment. Besides, the appearance characteristics and structural differences of the porous silicon in different conditions are discussed in this paper.Key words: Porous silicon; electrochemical method; structure; photoluminescence目录1 引言 (1)2 多孔硅基本原理与概述 (1)2.1 多孔硅发展历史 (1)2.2.1 Beale耗尽模型 (2)2.2.2 扩散限制模型 (2)2.2.3 量子限制模型 (2)2.3 多孔硅的分类 (4)2.4 多孔硅的制备方法 (5)2.4.1 阳极腐蚀法 (5)2.4.2 水热腐蚀法 (6)2.4.3 火花放电法 (7)2.4.4 化学腐蚀法 (7)2.5 多孔硅的应用 (7)3 多孔硅制备的实验过程 (8)3.1 仪器和试剂 (8)3.2 单晶硅片清洗 (8)3.3 多孔硅制备 (8)3.4 多孔硅表面处理 (9)3.4.1 阳极氧化表面处理法 (10)3.4.2 阴极还原表面处理法 (10)4 多孔硅的微结构研究 (10)4.1 制备多孔硅的实验结果对比 (10)4.2 多孔硅微表面和横截面形貌研究 (11)4.2.1 多孔硅AFM表面形貌研究 (12)4.2.2 多孔硅表面三维形貌研究 (12)4.2.3 多孔硅表面二维形貌研究 (13)4.3 多孔硅SEM截面形貌研究 (15)4.4 多孔硅SEM表面形貌研究 (18)5 多孔硅光电特性的分析 (19)5.1 概述 (19)5.2 多孔硅的光致发光. (20)5.2.1 多孔硅发光谱研究 (20)5.2.2 多孔硅发光机理 (21)结束语 (23)参考文献 (24)致谢 (25)1引言多孔硅（PS）是一种具有纳米多孔结构的材料，可以通过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧化来获得。

化学气相沉积法制备纳米多孔硅材料纳米材料在科学领域中具有重要的应用价值，近年来各种纳米材料的研究成为材料科学领域的热点。

纳米多孔硅材料是一种新型纳米材料，其具有很多优异的物理和化学特性，并且在生物医学、电子学、传感器和催化剂等领域具有非常重要的应用价值。

化学气相沉积法制备纳米多孔硅材料，是一种有效的方法。

下面将从纳米多孔硅材料的特点、化学气相沉积法的操作和实验参数的选择三个方面，进行详细的介绍。

一、纳米多孔硅材料的特点纳米多孔硅材料具有很多优异的物理和化学特性。

首先，纳米多孔硅材料的晶格结构较为特殊，其具有高度的表面积和大量的孔隙结构，因此具有较好的催化活性和吸附性能。

其次，纳米多孔硅材料的尺寸较小，可有效地减小材料体积和质量，提高材料的特异性。

同时，纳米多孔硅材料在光学与电子学等领域中也有着重要的应用，如磁性材料和光电场效应器件。

总体而言，纳米多孔硅材料具有广泛的应用前景。

二、化学气相沉积法的操作化学气相沉积法是一种基于热化学反应的纳米多孔硅材料制备方法，操作比较简单。

具体而言，该方法是利用特定的前驱体气体，在高温气氛下进行反应，沉积制备纳米多孔硅材料。

实验上，通常需要将硅基片放在反应炉中，然后加入前驱体气体，通过热化学反应产生纳米多孔硅材料，最后将产物冷却并取出硅基片。

该方法操作简单，但需要仔细控制实验参数以获得高质量的产物。

三、参数的选择为了获得高质量的纳米多孔硅材料，实验参数的选择至关重要。

其中，前驱体气体、反应温度、反应时间和反应压力是影响纳米多孔硅材料质量的主要因素。

一般而言，CO2、O2、H2、SiH4等前驱体气体的选择，可以通过调节气相反应中的化学反应以控制产物形态；反应温度通常在500-900℃之间，太低反应不足，太高易引起烧结和材料热退化等问题；反应时间需要根据试验情况进行选择，一般为几分钟至几个小时；反应压力一般处于10-100 mTorr的范围。

总之，化学气相沉积法是制备纳米多孔硅材料的有效方法，其具有易操作、样品结构可控，制备多种不同形态的纳米多孔硅材料的优点，因此获得了广泛应用。

多孔硅材料的制备与性能研究近年来，多孔材料在各个领域中得到了广泛的应用。

而多孔硅材料作为一种新型的多孔材料，在能源存储、催化剂以及生物医学等领域中具有广阔的应用前景。

本文将就多孔硅材料的制备方法以及其性能研究进行探讨。

一、多孔硅材料的制备方法多孔硅材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、模板法和电化学腐蚀法等。

在溶胶-凝胶法中，首先通过水解和缩合反应形成凝胶，然后通过热处理或化学处理使之形成多孔结构。

这种方法具有制备工艺简单、成本低廉的优点，但其孔径分布范围较窄。

模板法通过使用有机或无机模板剂在硅源溶胶中形成孔道结构，然后通过烧结或氧化去除模板剂，最终得到具有多孔结构的硅材料。

这种方法能够制备出具有可控孔径和孔道结构的多孔硅材料，但模板剂的选择和去除过程较为复杂。

电化学腐蚀法则是通过在一定电位下将金属或合金腐蚀形成孔洞，然后将之填充或转化为多孔硅材料。

这种方法制备的多孔硅材料孔径分布范围较广，但制备工艺较为繁琐。

二、多孔硅材料的性能研究1. 孔结构控制多孔硅材料的性能与其孔结构密切相关。

因此，通过调控制备方法可以实现对多孔硅材料孔结构的控制。

可以通过改变前驱体的类型、溶剂的种类和浓度、反应温度等条件来控制多孔硅材料的孔径和孔道结构。

研究表明，当使用有机溶剂时，多孔硅材料的孔径通常较小，而使用无机溶剂时，多孔硅材料的孔径较大。

此外，反应温度的升高有助于减小多孔硅材料的孔径。

2. 光学性能多孔硅材料具有较高的折射率和较低的杂散光损耗，因此在光学器件中有着广泛的应用。

研究表明，多孔硅材料中的孔道结构可以通过调节前驱体的浓度和反应温度来控制。

同时，多孔硅材料的孔径和孔道结构也会对其光学性能产生影响。

通过控制多孔硅材料的孔径和孔道结构，可以实现对其折射率的调节，从而实现光学器件的性能优化。

3. 催化性能多孔硅材料在催化领域中也具有潜在应用。

多孔硅材料的大比表面积和孔道结构可提供更多的活性位点和质量传递通道，从而促进催化反应的进行。

多孔硅论文：多孔硅的制备及发光特性的研究【中文摘要】本文采用传统的电化学阳极腐蚀法制备p型多孔硅。

通过扫描电子显微镜来观察p型多孔硅表面形貌和腐蚀失重计算p型多孔硅孔隙率和硅层厚度,研究腐蚀时间、电流密度和HF浓度对p型多孔硅电化学阳极腐蚀法制备条件的影响。

结果表明,随腐蚀时间、电流密度和HF浓度逐步增加p型多孔硅的孔隙率先增大后减少,随着腐蚀时间、电流强度和HF浓度的增加,p型多孔硅的厚度逐步增加,呈线性关系。

通过使用荧光分光光度计在室温下测量p型多孔硅光致发光谱,研究腐蚀时间、电流密度和HF浓度对p型多孔硅电化学阳极腐蚀法光致发光特性的影响。

结果表明,增加腐蚀时间,电流密度和HF浓度都能引起p型多孔硅的光致发光谱峰位的蓝移变化。

最后,通过正交优化试验的方法,对p型多孔硅光致发光特性的电学阳极腐蚀法制备条件进行优化。

确定较优的p型多孔硅光致发光特性的电化学阳极腐蚀法制备条件为：腐蚀时间30min,电流密度12mA/cm2, HF 浓度6wt%。

【英文摘要】In this thesis, p-type Porous Silicon was obtained by conventional electrochemical anodization. Morphology of p-type Porous Silicon was observed by scanning electronic microscope (SEM), porosity and thickness of p-type Porous Silicon was studied by calculating weight loss. The influence of etching time, current density and HF concentrationto the fabrication of p-type Porous Silicon by conventional electrochemical anodization was studied. The results showed that increase of etching time, current density and HF concentration, the porosity of p-type Porous Silicon increase, then decrease and the thickness of the Porous Silicon is increased gradually, which fit a linearrelationship.Photoluminescence of Porous Silicon was indicated by fluorescence spectrum at room temperature. The dependence of room temperature visible photoluminescence of Porous Silicon and its microstructure on the anodization conditions, such as etching time, current density and HF concentration were studied. The results showed that the increase of etching time, current density and HF concentration results in a blue shift of luminescent wavelength.At last, The optimum technology of the Porous Silicon fabrication was determined by orthogonal experimental design. The research results of the experiments show that conditions for etching time 30min, current density 12mA/cm2 and HF concentration 6wt%.【关键词】多孔硅制备孔隙率光致发光【英文关键词】porous silicon fabrication porosity photoluminescence【目录】多孔硅的制备及发光特性的研究摘要4-5ABSTRACT5目录6-7第一章绪论7-20 1.1 多孔硅研究发展概述7-8 1.2 多孔硅的制备方法8-11 1.3 多孔硅的形成机理11-14 1.4 多孔硅的发光机理14-17 1.5 多孔硅发光材料的应用17-18 1.6 选题意义及研究内容18-20第二章电化学阳极腐蚀法制备p型多孔硅实验20-32 2.1 实验材料20 2.2 实验仪器和化学试剂20-21 2.3 实验装置21-26 2.4 工艺流程26-31 2.5 测试方法与仪器31-32第三章 p型多孔硅电化学阳极腐蚀法制备条件的研究32-42 3.1 p 型多孔硅表面形貌的参数32-33 3.2 腐蚀时间对p型多孔硅表面形貌的影响33-35 3.3 电流密度对p型多孔硅表面相貌的影响35-38 3.4 HF浓度对p型多孔硅表面形貌的影响38-41小结41-42第四章 p型多孔硅的光致发光特性的研究42-50 4.1 腐蚀时间对p型多孔硅光致发光特性的影响42-43 4.2 电流密度对p型多孔硅光致发光特性的影响43-44 4.3 HF浓度对p型多孔硅光致发光特性的影响44-45 4.4 p型多孔硅光致发光特性制备条件的优化45-48小结48-50结论50-51致谢51-52参考文献52-55。

多孔硅基材料的制备及其在催化剂中的应用研究多孔硅基材料是近年来发展起来的一类新型材料，具有较高的比表面积、较大的孔隙度、优异的化学稳定性和良好的可控性等优点。

在催化剂领域，多孔硅基材料作为载体材料和功能化修饰材料被广泛应用，可用于有机合成、脱硫脱氢等反应中，具有良好的催化性能和选择性。

一、多孔硅基材料制备方法多孔硅基材料的制备方法多种多样，从化学加工到物理加工，可以根据需求选择不同的方法制备出高质量的多孔硅基材料。

以下介绍几种常见的制备方法：1.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是多孔硅基材料制备的重要方法之一，将硅烷等硅源物在非水性溶液中水解缩合，得到凝胶，再通过洗涤、烘烤等处理制备出多孔硅基材料。

溶胶凝胶法具有较高的成品率和可控性，在催化剂制备中得到广泛应用。

2.电化学法电化学氧化还原反应使含有硅源的电极表面氧化，消耗氧化物，使得电极内部脱去硅酸盐，在电极表面形成多孔硅膜。

电化学法具有简单、操作方便等优点，可利用溶液中硅源的浓度、电解液的化学成分等条件来调节多孔硅基材料的孔径大小。

3.物理蚀刻法物理蚀刻法是将单晶硅片用特殊液体进行腐蚀加工，在晶体表面形成纳米孔道或微孔道。

该方法不需要制备凝胶，具有孔径可控性强、多孔度高等优点，同时，制备过程不增加杂质，没有毒性污染等特点。

二、多孔硅基材料在催化剂中的应用多孔硅基材料作为载体材料和功能化修饰材料已经被广泛应用于研究和开发高效催化剂。

1.载体材料多孔硅基材料作为载体材料可以将金属和非金属等活性组分载在其上，形成活性成分的固定体系。

多孔硅基材料的孔径大小、孔壁化学性质等参数可调控，能够调节和控制不同反应的反应速率、选择性和催化剂的稳定性等性质。

例如，将多孔硅基材料用于甲烷加氢反应中作为载体，可以提高反应的活性和选择性，同时具有较好的耐热性和稳定性。

2.功能化修饰材料多孔硅基材料可以通过物理或化学方法进行表面修饰，实现对催化反应的控制。

通过表面修饰，可以增加催化剂的活性位点数量和催化效率，提高催化剂的选择性和稳定性等性能。

n型多孔硅的制备及其光致发光性能宋晓岚;喻振兴;程蕾;吴长荣;张泰隆;邓大宝【摘要】采用双槽电化学腐蚀法于光照条件下在n型单晶硅片衬底上制备多孔硅(n-PS);在室温下,采用500～ 700 nm范围内荧光光谱和扫描电镜(SEM)测试系统研究光照、腐蚀时间、电解液含量、腐蚀电流密度及单晶硅掺杂含量等对n-PS的形成、结构形貌和光致发光性能(PL)的影响.研究结果表明,通过光照,能获得具有均匀孔分布和良好发光特性的n-PS,在约600 nm处产生较强荧光峰;随腐蚀时间、HF含量和电流密度增加,PL峰位先发生蓝移,而后又出现红移;PL发光性能呈先增强后减弱变化趋势,分别在腐蚀时间为20 min、HF含量为6%和电流密度为60 mA/cm2时峰强出现极大值;而提高掺杂含量,PL性能降低.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(041)004【总页数】5页(P1229-1233)【关键词】n型多孔硅;双槽电化学腐蚀法;光照条件;光致发光性能【作者】宋晓岚;喻振兴;程蕾;吴长荣;张泰隆;邓大宝【作者单位】中南大学,资源加工与生物工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源加工与生物工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源加工与生物工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源加工与生物工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源加工与生物工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源加工与生物工程学院,湖南,长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TN304.1单晶硅是现代半导体器件集成电路和微电子学领域中最主要的材料，它的禁带宽度为 1.12 eV，且为间接带隙材料，限制了它在光电子器件中的应用。

多孔硅(porous silicon，PS)是一种具有海绵状疏松结构的硅材料。

Canham[1]于1990年报道了PS在室温下可见光区有着较强的荧光发射现象，从此打破了单晶硅难以实现高效率发光的禁锢，预示着用单晶硅制备发光器件进而实现全硅光电子集成的美好前景，使得 PS发光现象成为材料科学研究的热点之一。