硅納米線陣列腐蝕方向控制研究

楊麗霞++侍超++李沙++李藝萌++汪飛

摘 要：本文通過控制金屬催化化學腐蝕中催化劑的長徑比，以Si（100）、Si（110）為基底，制備得到與基底保持不同取向的硅納米線陣列結構，對硅納米線陣列進行物性表征，并說明改變鍍銀溶液的濃度可以對硅納米線陣列的腐蝕方向進行有效控制。希望對鋰離子電池的負極材料的改進提供一些幫助。

關鍵詞：鋰離子電池 硅納米線 負極材料

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

注：基金項目：江蘇省大學生實踐創新項目（201414160014Y）

1 引言

鋰離子二次電池是90年代出現的新型化學電源，是繼鎳鎘電池和金屬氫化物電池之后的第三代可充電“綠色電池”。近年來，集成電路快速發展，使得電子產品更趨于小型化、易攜帶。與常用的鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及其他傳統可充電電池相比，鋰離子電池是當今國際公認的理想化學能源，具有體積小、電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全無污染等優點，已被廣泛作為便攜式電子產品的能量存儲裝置。目前動力汽車造成石油燃料消耗和二氧化碳過度排放導致的環境問題，使得安全節能、綠色環保的電動交通工具得到了快速發展，國內外研發趨勢顯示，鋰離子電池在電動汽車（EV、HEV）、軍事以及航空航天領域、儲能等方面的應用開發已經全面啟動，鋰離子電池已經從小型電子產品應用領域擴展到大功率動力性領域，向著更加廣闊的空間迅速發展。這就對鋰離子電池提出來新的更高的要求，針對動力性電池，要求電極材料具有高容量、高效率、高安全性等特點，同時為鋰電池未來的發展指明了方向。我們通過控制金屬催化化學腐蝕中催化劑的長徑比，以Si（100）、Si（110）為基底，制備得到與基底保持不同取向的硅納米線陣列結構，對硅納米線陣列進行物性表征，并說明改變鍍銀溶液的濃度可以對硅納米線陣列的腐蝕方向進行有效控制。希望對鋰離子電池的負極材料的改進提供一些幫助。

2 實驗過程

本次實驗共分為三組，分別是：第一組：在（100）晶向的各向同性硅片上制備硅納米線陣列，腐蝕時間為30min；第二組：在（110）晶向的各向異性硅片上制備硅納米線陣列，腐蝕時間為30min；第三組：在（110）晶向的各向異性硅片上制備硅納米線陣列，腐蝕時間為60min。

3 實驗結果

3.1 不同濃度鍍銀溶液下Ag的長徑比的SEM圖

圖1給出第三組的Ag的SEM圖，即在（110）晶向的硅片上，腐蝕時間為60min，不同濃度AgNO3溶液得到的不同長徑比的銀的SEM圖片：

圖1. 室溫下，在n型（110）硅襯底上，不同濃度AgNO3中鍍銀60s得到的銀的SEM照片： （a）～（d）是俯視圖；（e）～（h）是截面圖。其中得到Ag的AgNO3的濃度不同： （a），（e） ：AgNO3-0.005M； （b），（f） ：AgNO3-0.01M ； （c），（g）： AgNO3-0.015M； （d），（h）：AgNO3-0.02M.。

圖1（a）和（b）中的銀呈現出大面積島狀的均勻分布；隨著AgNO3濃度增加，銀顆粒出現大量的團簇（c），甚至形成樹枝狀（d），島狀被打破。由圖（e）～（h）可以明顯看出，AgNO3濃度越高，Ag的高度越高。也就是說，改變鍍銀溶液的濃度可以改變Ag的長徑比，而且隨著AgNO3濃度的改變，Ag的長徑比明顯增加。

由此可得出結論：改變鍍銀溶液的濃度可以改變Ag的長徑比。

圖2. n型（100）硅襯底上制備的硅納米線陣列的SEM照片：（a）～（d）是俯視圖，（e）～（h）是截面圖，（i）～（l）是硅納米線陣列的端部放大的截面圖。硅納米線由不同濃度的鍍膜溶液制備而成： （a），（e），（i） ：AgNO3-0.005M； （b），（f），（j） ：AgNO3-0.01M； （c），（g），（k）： AgNO3-0.015M； （d），（h），（l）：AgNO3-0.02M。

圖3. n型（110）硅襯底上制備的硅納米線陣列的SEM照片：（a）～（d）是俯視圖，（e）～（h）是截面圖，（i）～（l）是硅納米線陣列的端部放大的截面圖。硅納米線由不同濃度的鍍膜溶液制備而成：（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 不同襯底上生長 SiNWs的SEM圖

圖2和圖3為前兩組的硅納米線陣列的SEM照片，即30min下的Si（100）、Si（110）基底上制備出來的硅納米線陣列的SEM圖：由圖2可知，（100）晶向硅襯底上的腐蝕屬于各向同性腐蝕。不論催化劑顆粒如何變化，硅納米線晶向都是<100>方向。但是隨著AgNO3濃度的增高，硅納米線陣列的排布會變得更加稠密。由圖3可知，（110）晶向硅襯底上的腐蝕屬于各向異性腐蝕。硅納米線陣列在大面積范圍內呈現均勻陣列結構。當AgNO3濃度較低時（0.005M、0.01M），也即催化劑顆粒長徑比較小時，腐蝕得到的硅納米線陣列發生彎折現象，由圖3.（e）可以明顯看出；而當AgNO3濃度較高時候（0.015M、0.02M），也即催化劑顆粒長徑比較大時，腐蝕過程中一直保持傾斜于基底Si（110）方向。經過測試得知，折線型的硅納米線陣列腐蝕初期沿著[111]方向，后來變為[100]方向；斜線型的則一直沿[100]方向。

綜上所述，改變鍍銀溶液的濃度可以對硅納米線陣列的腐蝕方向進行有效控制。希望對鋰離子電池的負極材料的改進提供一些幫助。

參考文獻

[1] 吳宇平等. 鋰離子電池[M].北京；化學工業出版社，2004

[2] 宋文順. 化學電源工藝學[M].北京；北京中國輕工業出版社，1998

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