本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種利用金屬輔助刻蝕具有木材反向結(jié)構(gòu)硅表面的方法。

背景技術(shù)：

植物材料具有天然的三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，呈多層次、多組分的有序性組織形貌，其結(jié)構(gòu)及功能有著人工材料無可比擬的優(yōu)越性能，但該結(jié)構(gòu)難以通過人工手段獲得。目前，研究人員利用天然植物結(jié)構(gòu)，制備具有鮮明植物結(jié)構(gòu)特點、獨特顯微組織、組織結(jié)構(gòu)可控的新型材料，并賦予材料優(yōu)異的性能。張荻等以蝶翅鱗片為生物模板制備了保留蝶翅結(jié)構(gòu)的TiO₂材料，該材料可提高光的吸收率(Zhang Wang,et al.Novel photoanode structure templated from butterfly wing scales[J].Chemistry ofMaterials,2008,21(1):33-40.)。Wang等選取柳桉為模板，注入鋁合金得到Al/C復(fù)合材料，此復(fù)合材料具有比鋁低的熱膨脹系數(shù)，比多孔碳具有更高的熱導(dǎo)率(Wang T C,et al.Thermal conductivity and thermal expansions of aluminum/carbon composites based on wood templates[J].Materials Letters,2007,61(8):1849-1854.)。因此，具有植物的天然結(jié)構(gòu)的材料有望在分子篩、過濾器、催化劑載體、絕熱材料、氣敏材料、電磁屏蔽材料、遠(yuǎn)紅外輻射材料等方面得到廣泛應(yīng)用。

單晶硅材料是一種常用的半導(dǎo)體材料，在微電子、光電子、傳感器以及微型電子機械領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。但單晶硅表面光滑平整，易親水和光反射，因此，對硅表面進(jìn)行改性處理有利于拓寬其應(yīng)用范圍。目前，對單晶硅表面改性多為人工化學(xué)的方法，即在單晶硅表面增加涂層等化學(xué)薄膜，或刻蝕預(yù)設(shè)幾何狀結(jié)構(gòu)，(汪鵬飛等，通過電解法制備出預(yù)設(shè)面積的納米硅線陣列；王富國等，通過電化學(xué)刻蝕法在單晶硅表面制備多孔硅仿生微納結(jié)構(gòu)表面)。然而，上述方法具有很大的局限性，難以達(dá)到自然界中生物體表面經(jīng)過進(jìn)化得到的特殊精細(xì)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的提供了一種利用金屬輔助刻蝕具有木材反向結(jié)構(gòu)硅表面的方法，該方法高程度借鑒自然，利用金屬輔助拓?fù)淞四静牡奈⒂^構(gòu)造，制得的木材反向結(jié)構(gòu)硅表面具有優(yōu)良的疏水性和光減反性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

一種利用金屬輔助刻蝕具有木材反向結(jié)構(gòu)硅表面的方法，具體步驟如下：

步驟1，將木材置于非氧化性氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)溫度不低于600℃，升溫速率不高于3℃/min，制得具有天然木材結(jié)構(gòu)的多孔碳；

步驟2，以0.03～0.06mol/L的硫酸銅溶液為電鍍液，采用0.01～0.08A/cm²的電流密度，在多孔碳表面鍍銅，電鍍10～18min后，取出干燥，得到具有天然木材結(jié)構(gòu)的多孔碳/銅；

步驟3，將多孔碳/銅覆蓋在單晶硅平面上，充分接觸后，浸沒在氫氟酸、雙氧水、水的體積比為6：2：1～4的混合腐蝕劑中，在銅的催化下，腐蝕20～40min，得到天然木材反向結(jié)構(gòu)的單晶硅表面；

步驟4，將腐蝕后的單晶硅表面浸入氟硅烷與異丙醇的體積比為1:4～8的混合液中，浸泡結(jié)束后取出干燥，制得疏水的具有木材反向結(jié)構(gòu)的硅表面。

優(yōu)選地，步驟1中，所述的木材選自白松木、柳桉等微觀結(jié)構(gòu)明顯且孔徑大小較均勻的木材，所述的燒結(jié)溫度為600～800℃，所述的升溫速率為1～2℃/min。

優(yōu)選地，步驟2中，所述的電鍍時間為15min。

優(yōu)選地，步驟3中，所述的氫氟酸、雙氧水、水的體積比為6:2:4，腐蝕時間為30min。

優(yōu)選地，步驟4中，所述的氟硅烷和異丙醇的體積比為1:6，浸泡時間為2～15天。

本發(fā)明利用天然木材為模板，將其在非氧化性氣氛中燒結(jié)形成具有木材微觀構(gòu)造的多孔碳，再在多孔碳表面電鍍銅，銅在多孔碳表面沿其孔徑形成銅原子覆蓋層，從而形成具有木材結(jié)構(gòu)的多孔銅表面，多孔銅表面覆蓋在已浸入HF，H₂O₂和去離子水的腐蝕劑中的單晶硅表面，其中表面的銅充當(dāng)催化劑，使氫氟酸與酸離子反應(yīng)生成H₂SiF₆。由于銅沿著木材孔徑結(jié)構(gòu)附著，與銅緊密接觸的硅才會發(fā)生腐蝕反應(yīng)并產(chǎn)生凹陷，而處于孔徑中的硅則不會發(fā)生反應(yīng)，這樣便會形成與木材多孔結(jié)構(gòu)凸凹相反的凸起硅表面。具有天然木材多孔結(jié)構(gòu)凸凹相反的凸起硅表面結(jié)構(gòu)，具備一定的疏水性和光減反性。具有木材反向結(jié)構(gòu)的硅表面在氟硅烷溶液中浸泡后，當(dāng)水珠落在上面時相鄰?fù)蛊痖g隙中的空氣會被鎖定成極薄的空氣層，水只與凸起形成點接觸，減少了接觸面積，提高了硅基表面的疏水性。此外，當(dāng)光線直射在具有特殊形貌的硅基表面時，凸起表面為粗糙半球形凸起，可增加光進(jìn)入表面后的散射，使反射光減少，具有光減反性。

本發(fā)明方法簡單，制得的具有木材反向凸起結(jié)構(gòu)的單晶硅表面，同時具備疏水性和光減反性，疏水性可有效地避免器件因雨雪等天氣造成的腐蝕和短路等；而光減反性可減弱太陽能電池表面光的反射所造成的損失，提高太陽光的通過率從而提高光電轉(zhuǎn)化效率等，可用于單晶硅的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用。

附圖說明

圖1是實施例1中制得的具有白松木結(jié)構(gòu)的多孔碳經(jīng)電鍍銅后的微觀結(jié)構(gòu)圖。

圖2是實施例1中具有白松木結(jié)構(gòu)的多孔銅的XRD圖譜。

圖3是實施例1中利用白松木結(jié)構(gòu)的多孔銅作催化劑腐蝕制得的硅表面微觀構(gòu)造圖。

圖4是實施例1中利用白松木結(jié)構(gòu)的多孔銅作催化劑腐蝕制得的硅表面的接觸角圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實施例1

步驟1，將白松木置于木材碳化爐中以1℃/分鐘的升溫速率加熱至800℃，制得具有白松木結(jié)構(gòu)的多孔碳；

步驟2，在多孔碳表面鍍銅，鍍液為0.05mol/L硫酸銅溶液，電流0.01A/cm²，電鍍15分鐘，電鍍后將多孔碳取出干燥；

步驟3，配制氫氟酸、雙氧水、水的混合液腐蝕劑，氫氟酸、雙氧水、水的體積比為6:2:4，用腐蝕劑浸沒單晶硅，此時無腐蝕反應(yīng)發(fā)生，將經(jīng)表面鍍銅后的多孔碳壓在硅平面上，使之充分接觸，在銅催化下，腐蝕20分鐘；

步驟4，將腐蝕后的硅表面浸入氟硅烷和異丙醇混合液中浸泡2天，氟硅烷和異丙醇體積比為1:6，取出干燥，得到具有木材反向結(jié)構(gòu)的硅表面。

圖1為制得的經(jīng)鍍銅后的多孔碳微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片，可見銅原子很好沿著白松表面孔徑結(jié)構(gòu)附著。圖2為制得的多孔銅的X衍射圖譜，從衍射峰可知該材料主要為碳、銅和銅的氧化物。圖3為腐蝕后的硅表面微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片，硅表面形成了與白松孔徑結(jié)構(gòu)相反的半球狀凸起。圖4為制得的木材反向結(jié)構(gòu)的硅表面與水的接觸角，θ_接觸角＝144°，具有疏水性。

實施例2

步驟1，將白松木置于木材碳化爐中以2℃/分鐘的升溫速率加熱至600℃，制得具有白松木結(jié)構(gòu)的多孔碳；

步驟2，在多孔碳表面鍍銅，鍍液為0.03mol/L硫酸銅溶液，電流0.08A/cm²，電鍍10分鐘，電鍍后將多孔碳取出干燥；

步驟3，配制氫氟酸、雙氧水、水的混合液腐蝕劑，氫氟酸、雙氧水、水的體積比為6:2:1，用腐蝕劑浸沒單晶硅，此時無腐蝕反應(yīng)發(fā)生，將經(jīng)表面鍍銅后的多孔碳壓在硅平面上，使之充分接觸，在銅催化下，腐蝕40分鐘。

步驟4，將腐蝕后的硅表面浸入氟硅烷和異丙醇混合液中浸泡15天，氟硅烷和異丙醇體積比為1:4，取出干燥，制得具有具有木材反向結(jié)構(gòu)的硅表面。

實施例3

步驟1，將柳桉木置于木材碳化爐中以3℃/分鐘的升溫速率加熱至800℃，制得具有柳桉木結(jié)構(gòu)的多孔碳；

步驟2，在多孔碳表面鍍銅，鍍液為0.06mol/L硫酸銅溶液，電流0.01A/cm²，電鍍18分鐘，電鍍后將多孔碳取出干燥；

步驟3，配制氫氟酸、雙氧水、水的混合液腐蝕劑，氫氟酸、雙氧水、水的體積比為6:2:2，用腐蝕劑浸沒單晶硅，此時無腐蝕反應(yīng)發(fā)生，將經(jīng)表面鍍銅后的多孔碳壓在硅平面上，使之充分接觸，銅在銅催化下，腐蝕30分鐘。

步驟4，將腐蝕后的硅表面浸入氟硅烷和異丙醇混合液中浸泡30天，氟硅烷和異丙醇體積比為1:8，取出干燥，制得具有具有木材反向結(jié)構(gòu)的硅表面。