本发明专利技术公布了一种基于一维硅纳米结构阵列的可见光电化学探测器，属于纳米材料性能和应用领域。特征在于利用光吸收性能优异的一维硅纳米结构阵列的光电化学响应特性实现可见光的探测。器件制备过程及所需设备相对简单，可控性良好，光响应度较高。器件构建过程主要包括：(1)利用金属催化各向异性化学腐蚀法制备一维硅纳米结构阵列；(2)利用磁控溅射或真空蒸镀技术在一维硅纳米结构阵列背面沉积导电层，并进行退火处理形成一维硅纳米结构阵列光电极；(3)以一维硅纳米结构阵列光电极为基础，构建可见光电化学探测器。本发明专利技术利用一维硅纳米结构阵列的高光电化学响应特性构建了可见光电化学探测器，拓展了半导体纳米材料的应用领域。
【技术实现步骤摘要】
一种基于一维硅纳米结构阵列的可见光电化学探测器，涉及一维硅纳米结构阵列的光电化学响应特性的研究，属于纳米材料与应用领域。
技术介绍
硅纳米结构的研究可以追溯到1964年R. S. Wanger和W. C. Ellis利用气-液-固机理制备出最早的单晶硅纳米须，然而受限于当时表征技术手段，硅纳米结构的研究直到上世纪90年代才引起人们的广泛关注。过去20年，大量的研究专注于一维硅纳米结构的制备技术，发展并完善了多种方法，总的来说可以归结为两类一是自下而上法，即通过调控硅原子的自组装过程得到一维纳米结构。如研究较为广泛的金属催化化学气相沉积法，它以一层准连续的纳米金属颗粒薄膜为催化剂，在一定温度下引导硅原子自组装成一维纳米结构。这类方法的优点是可以实现一维硅纳米结构的大量制备，结构基本为单晶，缺陷少； 但是这类一维硅纳米结构取向通常为<111>，其它取向的一维硅纳米结构制备很困难，生长过程和结构的可控性较差，且纳米结构易脱离基底，电子在纳米结构与基底间传输困难，这在一定程度上阻碍了其应用开发。二是自上而下法，即通过刻蚀体硅而得到纳米尺度的硅结构。如反应离子刻蚀法，即通过在单晶硅表面遮掩一层模板，再利用等离子体选择性地刻蚀硅基体，从而得到一维硅纳米结构阵列。而近年来出现的金属催化化学腐蚀法，由于其操作过程简单，且能够在不同取向的单晶硅基体上制备出不同取向的硅纳米结构而在目前硅纳米结构的研究中备受青睐。金属催化化学腐蚀法是在抛光单晶硅片表面先沉积一层准连续的金属催化剂薄膜(如银、金和钼等)，而后将被金属催化剂薄膜覆盖的硅片置于腐蚀液中，经过一段时间的化学腐蚀即可得到硅纳米结构阵列。自上而下法制备硅纳米结构的属原位加工，工艺相对简单，可加工大面积的硅纳米结构阵列，且一维纳米结构取向一致，与基体连成一体，电子在纳米结构与基体间传输自由，同时能够原位获得不同取向的一维硅纳米结构阵列；但是金属催化化学腐蚀法制备的一维硅纳米结构表面结构缺陷较多。由于具有超大的比表面积和大的长径比，一维硅纳米结构在光学、电学、光电、热电性质等方面表现出明显的不同于体硅的特殊性。近年来，关于硅纳米结构的性质与应用的研究明显增加，而光电方面的研究可以分为两大类一是关于单根一维硅纳米结构的研究；二是关于一维硅纳米结构阵列的研究。单根一维硅纳米结构的性能研究一般需要将其集成于微纳原型器件中，在一定的激励条件下研究其相应物理量的变化，这个过程一般需要严格控制环境和精密操作，涉及设备多而复杂。目前研究得到将单根一维硅纳米结构做成单个纳米p-n结或异质结，即纳米器件，能实现纳米材料在纳米尺度下的功能化，如纳米太阳能电池、纳米传感器和纳米探测器等。而一维硅纳米结构阵列的研究是在宏观尺度下研究纳米结构化所带来的性质优化，即许多根一维硅纳米结构所表现出来的宏观性质研究，它所涉及的设备及技术要求往往相对简单些。研究发现将阵列做成一维纳米P-n结或异质结阵列，能表现出优异的宏观光伏和光电导效应，具有应用于高效的能量转换和灵敏的光电探测等领域的潜力。研究半导体光电化学性质对于拓展半导体材料的应用范围有着重要意义，而探讨这种纳米结构化处理带来的光电化学性质的变化是十分必要的。最近的一些研究证明了基于一维硅纳米结构阵列的光电化学太阳能电池具有优异于平面硅的光电化学太阳能电池的光伏特性优，即这种一维硅纳米结构阵列能有效地提高硅电池的光电转换效率。这类光伏特性是基于一种结构不同于传统固态结的异质结结构而表现出来的，它是半导体材料与氧化还原对电解液接触而形成的固/液p-n结，具有与肖特基结相似的整流效应；这种结的制备非常简单，只需将半导体材料与电解液接触即可，固/液结的研究能拓展硅纳米结构阵列的应用领域。一维硅纳米结构的光电化学性质的研究才刚刚起步，少量的研究主要集中于太阳能电池，而在光电探测、化学和生物传感、光催化电解水和降解污染物等领域却研究的较少。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种基于一维硅纳米结构阵列的新型可见光电化学探测器，即利用光吸收性优异的一维硅纳米结构阵列，构建具有较高响应度的新型可见光电化学探测器。其工作过程是在一定的工作电压下，无光照时，只有很小的暗电流；而给以可见光照时，立即表现出较大的光电流。根据上述目的，本专利技术提供了一种基于一维硅纳米结构阵列的新型可见光电化学探测器的构建方法，该方法包括(1)金属催化化学腐蚀法原位加工一维硅纳米结构阵列，其过程描述为(如附图 1所示)以电阻率为10_3 IO3欧姆·厘米的η型或ρ型，取向为(100)、(111)、(110)或 (112)的单晶硅片为基体，清洗硅基体并去除其表面氧化层，而后将基体浸入含银(或金、 铜、钼)离子浓度为0. 005 0. 1摩尔/升、HF浓度为4. 0 6. 0摩尔/升的混合水溶液中5秒 10分钟，在硅片表面无电沉积金属纳米颗粒薄膜(或利用真空蒸镀技术或磁控溅射技术在硅片表面沉积厚度为15 60nm的银(或金、铜、钼)金属催化层)，接着将沉积了金属催化层的硅基体放入H2A浓度为0. 1 1摩尔/升、HF浓度为4. 0 6. 0摩尔/升的混合水溶液中，在0 50°C的温度下，进行5分钟 4小时的化学腐蚀，然后将腐蚀了的硅基体浸于浓HNO3(或王水)中煮沸1 2小时，最后用去离子水浸泡和冲洗基体，得到取向为<100>、<111>、<110>、或<112>，直径为10 500nm，长度为0. 2 200 μ m的大面积与基体相连成一体的一维硅纳米结构阵列，其一维结构为线形和不规则的片线形，表面存在孔和沟道(如附图2示)。(2)制备一维硅纳米结构阵列的光电极，该过程描述为采用磁控溅射技术(或真空蒸镀技术)在一维硅纳米结构阵列背面沉积一层铝(或银、镍、金等金属，或复合金属) 导电层，然后对背面沉积有导电层的一维硅纳米结构阵列样品进行快速退火处理，使硅基体与金属导电层形成良好的欧姆接触，构成一维硅纳米结构阵列的光响应电极。(3)构建基于一维硅纳米结构阵列的可见光电化学探测器，包括以一维硅纳米结构阵列为光电极，在透光容器中盛放氧化还原对电解液，使一维硅纳米结构阵列与电解质溶液接触形成固/液P-n结，而光电极的背电极不接触溶液，在背电极与对电极间接入探测器驱动电压，即完成了基于一维硅纳米结构阵列的可见光电化学探测器的制造(如附图 3. (31)、图 4. (41)所示)。在半导体可见光电化学探测器中，η型半导体材料与电解液接触时，半导体材料的导带和价带均向上弯曲。通过在半导体与对电极间加上的偏压可以调节能带的弯曲程度 1)当加上较小的负偏压时，能带向上的弯曲程度减小，若负偏压继续加大，则能带能被拉平，将能带拉平的偏压称为平带电位；当半导体能带处于平带电位时，半导体与电解液界面没有载流子迁移，此时无论有无光照，只有很小的漏电流。2、继续加大负偏压时，能带将向下弯曲，此时半导体与电解质界面出现大量可自由移动的电子(出现反型层)，此时半导体电极相当于阴极金属电极，光照对其无影响，电流将随着负偏压的增大而加大。3)而加上正偏压或小于平带电位的负偏压时，能带处于向上弯曲状态。无光照时，半导体与电解液界面间只有少量多子和有限的少子，表现为本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于一维硅纳米结构阵列的可见光电化学探测器，其特征是利用一维硅纳米结构阵列的光电化学响应实现光的探测，器件构造过程相对简单，主要包括：一维硅纳米结构阵列的制备；一维硅纳米结构阵列的光电极制备；以一维硅纳米结构阵列为光电极的可见光电化学探测器构建。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程国安，吴绍龙，郑瑞廷，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11
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