以抛光和“金字塔”织构表面的单晶Si(100)为衬底, 分别以Au和Au-Al为金属催化剂, 在温度为1 100 ℃、 N2气流量为1 500 sccm、 生长时间为15～60 min等工艺条件下, 制备了直径约为50～200 nm、 长度为数微米至数十微米和不同分布的Si纳米线。 然后, 利用CeO2粉末为掺杂剂, 在温度为1 100～1 200 ℃、 N2流量为1 000 sccm、 掺杂时间为30～60 min等工艺条件下对Si纳米线进行Ce掺杂。 实验研究了不同Si纳米线长度、 密度和分布等对Ce3+蓝光发射的影响。 室温下利用Hitachi F-4600型荧光分光光度计对样品的激发光谱和发射光谱进行了测试和分析, 同时利用FLS920全功能型荧光光谱仪对样品的荧光量子效率进行了测试。 结果表明, 在Si纳米线生长时间为30 min、 织构表面和密度相对较低时以及最佳激发光波长为328 nm时, 样品发射光波长为405 nm(5d→2F5/2)荧光强度较大, 实现了强的蓝光发射, 其荧光量子效率达到了65.57%。 通过光谱功率分布和CIE-1931标准公式进行计算, Ce掺杂Si纳米线样品的色坐标为(0.16, 0.03); 发光强度大, 量子效率高使其在照明、 显示等领域有着潜在的应用价值, 同时对Si纳米线在发光领域的研究和应用具有一定的参考价值。

以金属Au-Al为催化剂, 在温度为1 100 ℃, N2气流量为1 500 sccm、 生长时间为30 min, 从Si(100)衬底上直接生长了直径约为50～120 nm、 长度为数百纳米的高密度、 大面积的Si纳米线。 然后, 利用Tb2O3在不同温度(1 000～1 200 ℃)、 掺杂时间(30～90 min)和N2气流量(0～1 000 sccm)等工艺条件下对Si纳米线进行了Tb掺杂。 最后, 对Si(100)衬底进行了Tb掺杂对比。 室温下, 利用荧光分光光度计(Hitachi F-4600) 测试了Tb掺杂Si纳米线的光致发光特性。 实验研究了不同掺杂工艺参数(温度、 时间和N2气流量)对Tb3+绿光发射的影响。 根据Tb3+能级结构和跃迁特性对样品的发射光谱进行了分析。 结果表明, 在温度为1 100 ℃, N2气流量为1 500 sccm、 时间为30 min等条件下制备的Si纳米线为掺杂基质, Tb掺杂温度为1 100 ℃, N2气流量为1 000 sccm、 光激发波长为243 nm时, 获得了最强荧光发射, 其波长为554 nm(5D4→7F5), 同时还出现强度相对较弱的494 nm(5D4→7F6), 593 nm(5D4→7F4)和628 nm(5D4→7F3)三条谱带。 Tb掺杂的体Si衬底在波长554 nm处仅有极其微弱的光致发光峰。

Au在Si表面的成膜质量对金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线至关重要。以Ti、Cr作为浸润层, 可显著改善Au在硅表面的成岛趋势, 获得优质的Au膜并大幅度减少Au的使用量。同时, 针对加入Ti、Cr后对Au辅助化学刻蚀影响的研究表明, Cr在刻蚀液中是稳定的, 因此阻碍了Au催化刻蚀反应, 而Ti与反应溶液快速反应, 不影响Au对Si衬底化学刻蚀的催化作用。基于以上工作, 以PS球为模板沉积制备Ti/Au(3nm/20nm)优质膜, 使用金属辅助化学刻蚀, 制备了有序的Si纳米线阵列。