硅纳米线阵列腐蚀方向控制研究

摘 要：本文通过控制金属催化化学腐蚀中催化剂的长径比，以Si（100）、Si（110）为基底，制备得到与基底保持不同取向的硅纳米线阵列结构，对硅纳米线阵列进行物性表征，并说明改变镀银溶液的浓度可以对硅纳米线阵列的腐蚀方向进行有效控制。希望对锂离子电池的负极材料的改进提供一些帮助。

关键词：锂离子电池 硅纳米线 负极材料

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

注：基金项目：江苏省大学生实践创新项目（201414160014Y）

1 引言

锂离子二次电池是90年代出现的新型化学电源，是继镍镉电池和金属氢化物电池之后的第三代可充电“绿色电池”。近年来，集成电路快速发展，使得电子产品更趋于小型化、易携带。与常用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及其他传统可充电电池相比，锂离子电池是当今国际公认的理想化学能源，具有体积小、电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全无污染等优点，已被广泛作为便携式电子产品的能量存储装置。目前动力汽车造成石油燃料消耗和二氧化碳过度排放导致的环境问题，使得安全节能、绿色环保的电动交通工具得到了快速发展，国内外研发趋势显示，锂离子电池在电动汽车（EV、HEV）、军事以及航空航天领域、储能等方面的应用开发已经全面启动，锂离子电池已经从小型电子产品应用领域扩展到大功率动力性领域，向着更加广阔的空间迅速发展。这就对锂离子电池提出来新的更高的要求，针对动力性电池，要求电极材料具有高容量、高效率、高安全性等特点，同时为锂电池未来的发展指明了方向。我们通过控制金属催化化学腐蚀中催化剂的长径比，以Si（100）、Si（110）为基底，制备得到与基底保持不同取向的硅纳米线阵列结构，对硅纳米线阵列进行物性表征，并说明改变镀银溶液的浓度可以对硅纳米线阵列的腐蚀方向进行有效控制。希望对锂离子电池的负极材料的改进提供一些帮助。

2 实验过程

本次实验共分为三组，分别是：第一组：在（100）晶向的各向同性硅片上制备硅纳米线阵列，腐蚀时间为30min；第二组：在（110）晶向的各向异性硅片上制备硅纳米线阵列，腐蚀时间为30min；第三组：在（110）晶向的各向异性硅片上制备硅纳米线阵列，腐蚀时间为60min。

3 实验结果

3.1 不同浓度镀银溶液下Ag的长径比的SEM图

图1给出第三组的Ag的SEM图，即在（110）晶向的硅片上，腐蚀时间为60min，不同浓度AgNO3溶液得到的不同长径比的银的SEM图片：

图1. 室温下，在n型（110）硅衬底上，不同浓度AgNO3中镀银60s得到的银的SEM照片： （a）～（d）是俯视图；（e）～（h）是截面图。其中得到Ag的AgNO3的浓度不同： （a），（e） ：AgNO3-0.005M； （b），（f） ：AgNO3-0.01M ； （c），（g）： AgNO3-0.015M； （d），（h）：AgNO3-0.02M.。

图1（a）和（b）中的银呈现出大面积岛状的均匀分布；随着AgNO3浓度增加，银颗粒出现大量的团簇（c），甚至形成树枝状（d），岛状被打破。由图（e）～（h）可以明显看出，AgNO3浓度越高，Ag的高度越高。也就是说，改变镀银溶液的浓度可以改变Ag的长径比，而且随着AgNO3浓度的改变，Ag的长径比明显增加。

由此可得出结论：改变镀银溶液的浓度可以改变Ag的长径比。

图2. n型（100）硅衬底上制备的硅纳米线阵列的SEM照片：（a）～（d）是俯视图，（e）～（h）是截面图，（i）～（l）是硅纳米线阵列的端部放大的截面图。硅纳米线由不同浓度的镀膜溶液制备而成： （a），（e），（i） ：AgNO3-0.005M； （b），（f），（j） ：AgNO3-0.01M； （c），（g），（k）： AgNO3-0.015M； （d），（h），（l）：AgNO3-0.02M。

图3. n型（110）硅衬底上制备的硅纳米线阵列的SEM照片：（a）～（d）是俯视图，（e）～（h）是截面图，（i）～（l）是硅纳米线阵列的端部放大的截面图。硅纳米线由不同浓度的镀膜溶液制备而成：（a），（e），（i） ：AgNO3-0.005M； （b），（f），（j）： AgNO3-0.01M； （c），（g），（k） ：AgNO3-0.015M； （d），（h），（l） ：AgNO3-0.02M。

3.2 不同衬底上生长 SiNWs的SEM图

图2和图3为前两组的硅纳米线阵列的SEM照片，即30min下的Si（100）、Si（110）基底上制备出来的硅纳米线阵列的SEM图：由图2可知，（100）晶向硅衬底上的腐蚀属于各向同性腐蚀。不论催化剂颗粒如何变化，硅纳米线晶向都是方向。但是随着AgNO3浓度的增高，硅纳米线阵列的排布会变得更加稠密。由图3可知，（110）晶向硅衬底上的腐蚀属于各向异性腐蚀。硅纳米线阵列在大面积范围内呈现均匀阵列结构。当AgNO3浓度较低时（0.005M、0.01M），也即催化剂颗粒长径比较小时，腐蚀得到的硅纳米线阵列发生弯折现象，由图3.（e）可以明显看出；而当AgNO3浓度较高时候（0.015M、0.02M），也即催化剂颗粒长径比较大时，腐蚀过程中一直保持倾斜于基底Si（110）方向。经过测试得知，折线型的硅纳米线阵列腐蚀初期沿着[111]方向，后来变为[100]方向；斜线型的则一直沿[100]方向。

综上所述，改变镀银溶液的浓度可以对硅纳米线阵列的腐蚀方向进行有效控制。希望对锂离子电池的负极材料的改进提供一些帮助。

参考文献

[1] 吴宇平等. 锂离子电池[M].北京；化学工业出版社，2004

[2] 宋文顺. 化学电源工艺学[M].北京；北京中国轻工业出版社，1998

[3] 张胜利等. 锂离子电池的研究与发展[J].电池工业，1999，4（1）：26-28