本课题是以单晶硅为基底制备超疏水表面，通过控制硅片表面的粗糙结构和表面修饰膜实现对硅片表面润湿性的控制，并改善硅片表面的减反性能。利用金属铜辅助化学蚀刻法来刻蚀硅衬底，制备具有疏水性乃至超疏水性的硅基纳米表面。通过控制铜纳米颗粒的大小、反应时间、加热温度和蚀刻液的浓度来熟练掌控硅表面的粗糙度。用扫描电子显微镜（SEM）分析试样表面，并检测其接触角和反射率。实验结果表明，经过SEM分析后，在0.0025M的Cu(NO3)2溶液和5.8MHF条件下，0.2M、0.4M和0.5M H2O2分别制备出具有粗糙表面的试样，有着较好的微纳结构，粗糙表面的腐蚀坑均匀密集。0.002MCu(NO3)2溶液、5.8M HF、0.5M H2O2条件下制备的试样，其表面接触角甚至达到了150°，已经接近超疏水，疏水性能极佳，且其反射率接近7%，减反性能极好。关键词 硅衬底，蚀刻，接触角，疏水，反射率
目 录
1 绪论 1
1．1 概述 1
1．2 硅基纳米材料的制备 1
1．3 润湿性的应用 3
1．4 减反性能 4
1．5 本课题研究的意义 6
2 实验部分 6
2. 1 制备原理 6
2. 2 实验试剂及仪器 7
2. 3 实验过程 8
3 实验结果与分析 12
4 性能检测 21
4. 1 润湿性能检测 21
4. 2 减反性能测试 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
1．1 概述
硅是目前应用较广的半导体材料，与其他材料相比，纳米级尺度的硅材料具有独特的物理化学性质[1]。在太阳能和电池领域,硅材料具有很大的应用前景，其中，硅材料表面的润湿性及光学性能的研究，非常有利于硅在太阳能电池领域的应用和发展。固体的表面润湿性不仅取决于它的化学成分组成，还和微细结构有关，即其表面自由能和表面粗糙度。一般可用液滴在固体表面的接触角来衡量，如图1.1所示。接触角越小，其润湿性能也就越好。通常将接触角小于90°的固体表面称为亲水表面(Hy *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: ￥351916072$ 
drophilic surface)，大于90°的表面称为疏水表面(Hydrophobic surface)，大于150°的表面称为超疏水表面[2] (Super hydrophobic surface)。固体的光学性能与材料表面的反射率有关，也称为减反性能。一般可用能谱仪分析固体表面的反射光谱。


图1.1 固体表面液滴的接触角示意图
1．2 硅基纳米材料的制备
1.2.1 制备硅纳米线
利用纳米级金属辅助化学刻蚀法来制备纳米线，研究纳米线的刻蚀速度，观察金属颗粒沉积后的形貌和纳米线结构的形貌，通过填充介孔碳来增强纳米线结构的稳定性及电导率[3]。此外，将沉积非晶硅的薄膜技术与以金属为基体诱导结晶的技术相结合，制备出结晶质量较高的硅薄膜，并利用湿刻蚀法来制备硅的纳米线[4,5]。
金属纳米颗粒辅助化学刻蚀硅纳米线的过程如图1.2所示，以Ag纳米颗粒为例。在硅衬底表面沉积铜纳米颗粒与此过程的机理相同。将硅材料浸入混合溶液中,铜离子被还原成铜纳米颗粒沉积于硅衬底表面。其中，铜纳米颗粒均匀分散于硅衬底表面，底部的硅被氧化为SiO2。


图1. 2 金属辅助刻蚀硅纳米线电化学反应过程
1.2.2 制备多孔Si微球块体
多孔的硅微球块体，比如SiO2硅微球是利用自组装技术，结合金属镁的热还原和无定形碳的填充技术制备出来的，其在自制的装置中反应，将无形碳填充在块体材料内部[4,5]。金属镁通过热还原法来制备多孔的块体硅微球材料以及后续的填充无形碳。首先是制备纳米级单分散微球，并将其作为反应源，再利用自组装法将其制备成块体材料，最后通过金属镁的热还原法把块体薄膜还原成硅微球块体。
1.2.3 制备过程
金属辅助化学蚀刻过程中，超疏水表面会产生一个简单的层次结构。将价格低廉的材料之一铜（Cu）作为金属辅助化学蚀刻的催化剂化学镀沉积到硅表面。利用金属的催化活性，减少表面氧化剂。催化原理如图1.3所示。


图1. 3 金属催化腐蚀硅片的过程示意图[6]
通过控制铜纳米颗粒的大小与反应时间、温度和蚀刻液的浓度等条件，我们可以熟练地操纵表面粗糙度。通常将铜、金、银等金属的纳米级颗粒作为催化剂，来对硅衬底进行蚀刻。在银、金、铜作为纳米级粒子的情况下，硅直接与金属蚀刻剂接触时更容易蚀刻，并且金属催化剂沿着硅的特定晶面渗透，如图1.4所示。因此，蚀刻工艺之后制作出了纳米结构，比如硅纳米线。若银、金、铜沉积到硅衬底上的时间越长，以及蚀刻在蚀刻液中的时间增加，硅纳米线就越易倒塌，于是微纳米结构形成。在这些情况下，可观察到超疏水特性。


图1. 4 通过铜辅助化学蚀刻简单地制造出具有微纳米结构的超疏水硅表面的示意图
1．3 润湿性的应用
1.3.1 材料疏水性的特点
材料表面的润湿性能是由固体表面化学组成和粗糙结构两个因素共同决定的[3]。材料表面的润湿性和固体表面的物理与化学性质有很大的关系。超疏水材料广泛应用于很多领域，并且仍具有很大的应用前景，超疏水性是润湿性能的极端特例。超疏水的材料具有很高的防水性能，可以抵抗冰雪、预防腐蚀、减小阻力、降低噪音，具有很好的自清洁能力，而且传输液体时可以降低损失，具有很好的生物相容性。鉴于他们的各种优点，研究者们致力于制备具有特殊功能的表面润湿性付出了很大的努力。特别是超疏水表面，一般定义为水滴与表面的接触角大于150°，因为他们有自我清洁功能[7]，具有低电阻的微流体装置[8]，以及选择性吸收的生物传感器[9]的应用潜力，所以超疏水材料获得了极大的关注。材料的润湿性不仅在自然界中广泛存在，而且在工农业的生产中起着关键的作用[10]。
1.3.2 材料润湿性在自然界的应用
壁虎可以趴在墙上自由地行走，水黾可以漂在水上自由地站立，鳖鱼皮在水下起到减阻的作用，植物根吸收水分，水滴在玫瑰花瓣、荷叶的表面上保持水珠的形貌[1]，都是受到了表面润湿性能的影响。很多研究者对材料的润湿性能的研究，都是因为得到了自然界的启发。众所周知，莲花的叶子总是保持清洁，具有超疏水性的行为，因为在叶片上的水滴容易与所有污染物滚下。人们已经发现，荷叶疏水表皮蜡质晶体液的微纳米结构表面导致了超疏水特性。受荷叶的启发，通过降低表面自由能和提高表面粗糙度可以制备具有超疏水性质的其它人造表面[11]。
1.3.3 材料润湿性在生产中的应用
表面润湿性在机械润滑、涂料涂装方面、在医学制药方面、计算机微电子方面、交通行业、造纸和印刷工业、生物芯片和新材料的合成制备等领域中，也起到了重要的作用[10]。如赵宁[12]等人的研究所说，这就是在表面化学物质和微纳米级尺度的结构共同作用下的结果。赵文杰[1]等人的研究表明：在表面粗糙度较小时，坑状织构有着较大的接触角。即对于不同的几何形貌，水滴在硅片表面上的接触角的大小是不同的。
1.3.4 制备超疏水表面的方法
研究者们发现了许多制备疏水表面的方法都需要具有低表面能的有机材料，如聚四氟乙烯[13]或聚二甲基硅氧烷[14]，或部分无机材料，如氧化锌、硅[15]。然而，在平坦的表面上，水的接触角通常是有限的，在110°到120°范围内最大。

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