Способ получения порошков пористого кремния

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов и может быть использовано в стоматологии и биомедицине. Сущность способа заключается в том, что получение наноразмерного порошка кремния обеспечивают травлением монокристаллического кремния в ячейке электрохимического травления с контрэлектродом U-образной формы из нержавеющей стали с последующим механическим отделением пористого слоя от подложки, его измельчением в изопропиловом спирте в ультразвуковой ванне и сушкой в естественных условиях, при этом в качестве электролита используют раствор диметилформамида с добавлением плавиковой кислоты и 20% по объему 30%-ной перекиси водорода. Технический результат - увеличение скорости травления монокристаллического кремния. 2 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов и может быть использовано в стоматологии и биомедицине.

Известен способ получения порошков пористого кремния.

Способ получения нанокристаллического кремния, согласно изобретению, включает реакцию спекания при температуре ~800 K тонкоизмельченного силицида магния и аэросила с последующим растворением и вымыванием оксида магния в подкисленном водном растворе, с последующей очисткой порошка нанокристаллического кремния осаждением этанолом и растворением в трихлорметане.

Изобретение обеспечивает получение порошка нанокристаллического кремния, обладающего устойчивой яркой фотолюминесценцией, максимум интенсивности которой возможно сдвигать в области от 750 нм до 550 нм, а также позволяет получать частицы нанокристаллического кремния, сохраняющие люминесцентные свойства при высоких, до ~650 К, температурах в массовых количествах без использования дорогих и легковоспламеняющихся веществ.

К недостаткам относится энергозатратность способа (высокие температуры получения), использование нагретой концентрированной плавиковой кислоты в процессе постобработки, которая высокотоксичным реагентом.

Также известен и способ получения порошков пористого кремния, который заключается в том, что пористый кремний, получают из монокристаллического кремния, подвергая его электролитическому травлению в двухэлектродной ячейке с использованием электролита, содержащего воду, этанол и плавиковую кислоту. Травление выполняют в два этапа. На первом этапе травление исходного кремния выполняют при постоянном токе при приложении к кремниевой пластине положительного потенциала. На втором этапе травления изменяют полярность напряжения, прикладываемого к ячейке травления, без изменения его величины. При этом к кремниевой пластине прикладывают отрицательный потенциал и травят материал в течение 10-60 мин (патент РФ 2316077, МПК H01L 33/00, опубл. 27.01.2008).

Данный способ по решаемой задаче, достигаемому техническому результату является наиболее близким аналогом к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа.

Однако и он не лишен недостатков, которые заключаются в том, что недостатком данного изобретения является относительно быстрая деградация люминесцентных свойств материала вследствие постепенного окисления поверхности наночастиц пористого кремния при образовании устойчивых группировок кремний-кислород (Si-O). Такие группировки сначала образуются на поверхности наночастицы и затем мигрируют в несколько первых приповерхностных слоев, что приводит к полному затуханию люминесценции. Производительность данного способа получения по сравнению с предлагаемым способом получения крайне низка. Кроме того, полученные наночастицы пористого кремния не удается перевести в коллоидный раствор, что затрудняет их дальнейшее использование, например, в качестве люминесцирующих оптических меток.

Задача способа заключается в устранении недостатков аналога и прототипа и в получении более высокого уровня технического результата.

Технический результат - увеличение скорости травления монокристаллического кремния достигается за счет того, что травление происходит в ячейке электрохимического анодного травления особой конфигурации с контрэлектродом из нержавеющей стали с последующей промывкой полученного пористого материала в дистиллированной воде, после чего его механически отделяют от кристаллической подложки, измельчают, а затем полученный порошок пористого кремния сушат в естественных условиях.

Предлагаемый способ проиллюстрирован чертежами, где на фиг. 1 изображена схема ячейки электрохимического травления, а на фиг. 2 показано изображение порошка, полученного с помощью просвечивающего электронного микроскопа и электронограмма порошка.

Способ получения порошков пористого кремния осуществляют следующим образом.

Для реализации способа используется оригинальная ячейка электрохимического анодного травления (фиг. 1), состоящей из: фторопластовой ванны (1), в которой находится раствор электролита (2), U-образного контрэлектрода из нержавеющей стали (3), который в процессе электрохимического травления является катодом, и исходной пластины кристаллического кремния (4), которая в процессе электрохимического травления является анодом и на которой получается слой пористого кремния, а также системы контроля и установки тока (5), состоящей из источника постоянного тока со встроенным мультиметром.

Порошок получается анодным электрохимическим травлением монокристаллического кремния n-типа проводимости, легированного фосфором, с удельным сопротивлением менее 1.0 Ом·см.

Пластина прямоугольной формы размером 2 см × 1 см помещается в раствор электролита следующего состава: 2 об. части концентрированной плавиковой кислоты + 2 об. части диметилформамида + 1 об. часть перекиси водорода (30%-ной). Малое удельное сопротивление исходной кремниевой пластины обеспечивает равномерное распределение анодного потенциала по всей площади пластины, погруженной в раствор электролита при латеральном расположении электрода над поверхностью электролита.

Таким образом, травление производят в ячейке электрохимического анодного травления с контрэлектродом U-образной формы из нержавеющей стали, с последующим механическим отделением пористого слоя от подложки, его измельчением в изопропиловом спирте в ультразвуковой ванне и сушкой в естественных условиях, при этом в качестве электролита используют раствор плавиковой кислоты в диметилформамиде с добавкой 20% по объему перекиси водорода (30%-ной).

Это позволяет избежать проблем, характерных для стандартного расположения кремниевой пластины в донной части кюветы, связанных с уплотнением пластины кремния, во избежание протечек электролита, содержащего агрессивную плавиковую кислоту. Травление проводится в режиме постоянного тока при плотности 15-20 мА/см². Время травления можно варьировать от 10 до 60 мин ., что позволяет изменять толщину пористого слоя в пределах от 10 до 80 мкм.

При увеличении времени травления свыше 60 минут резко падает плотность тока через пластину, и эффективность травления существенно снижается. После завершения процесса травления пластина со слоем пористого кремния, образовавшегося с двух сторон пластины, промывается в дистиллированной воде и в изопропиловом спирте, затем пористый слой механически отделяется от пластины с помощью скребка и получившийся порошок помещается в ультразвуковую ванну, заполненную изопропиловым спиртом, в которой производится дробление частиц порошка до размера 5-50 нм в течение 20 минут. На фиг. 2 приведены изображение порошка пористого кремния, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии, и его электронограмма.

После этого частицы порошка извлекаются из спирта выпариванием и высушиваются на воздухе в естественных условиях. За один сеанс удается получить от 10 до 30 мг порошка. Полученный порошок контролировали методом просвечивающей электронной микроскопии и дифракции электронов. Наличие достаточно четких колец на электронограммах подтверждает, что кремний в частицах находится в кристаллическом состоянии. Порошок обладает яркой фотолюминесценцией (ФЛ) с относительно широкой полосой (~300 нм) и пиком ФЛ в области 650 нм.

Способ получения порошков пористого кремния нанометрового размера, включающий анодное электрохимическое травление в электролите исходного монокристаллического кремния в ячейке электрохимического травления, отличающийся тем, что травление производят в ячейке электрохимического анодного травления с контрэлектродом U-образной формы из нержавеющей стали с последующим механическим отделением пористого слоя от подложки, его измельчением в изопропиловом спирте в ультразвуковой ванне и сушкой в естественных условиях, при этом в качестве электролита используют раствор диметилформамида с добавлением плавиковой кислоты и 20 об.%. 30%-ной перекиси водорода.