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(guò)控制金屬催化化學(xué)腐蝕中催化劑的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，對(duì)硅納米線陣列進(jìn)行物性表征，并說(shuō)明改變鍍銀溶液的濃度可以對(duì)硅納米線陣列的腐蝕方向進(jìn)行有效控制。希望對(duì)鋰離子電池的負(fù)極材料的改進(jìn)提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 硅納米線 負(fù)極材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

注：基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目（201414160014Y）

1 引言

鋰離子二次電池是90年代出現(xiàn)的新型化學(xué)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(lái)，集成電路快速發(fā)展，使得電子產(chǎn)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(tǒng)可充電電池相比，鋰離子電池是當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的理想化學(xué)能源，具有體積小、電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛作為便攜式電子產(chǎn)品的能量存儲(chǔ)裝置。目前動(dòng)力汽車(chē)造成石油燃料消耗和二氧化碳過(guò)度排放導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題，使得安全節(jié)能、綠色環(huán)保的電動(dòng)交通工具得到了快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研發(fā)趨勢(shì)顯示，鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)（EV、HEV）、軍事以及航空航天領(lǐng)域、儲(chǔ)能等方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)已經(jīng)全面啟動(dòng)，鋰離子電池已經(jīng)從小型電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到大功率動(dòng)力性領(lǐng)域，向著更加廣闊的空間迅速發(fā)展。這就對(duì)鋰離子電池提出來(lái)新的更高的要求，針對(duì)動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)為鋰電池未來(lái)的發(fā)展指明了方向。我們通過(guò)控制金屬催化化學(xué)腐蝕中催化劑的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，對(duì)硅納米線陣列進(jìn)行物性表征，并說(shuō)明改變鍍銀溶液的濃度可以對(duì)硅納米線陣列的腐蝕方向進(jìn)行有效控制。希望對(duì)鋰離子電池的負(fù)極材料的改進(jìn)提供一些幫助。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)間為60min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同濃度鍍銀溶液下Ag的長(zhǎng)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(shí)間為60min，不同濃度AgNO3溶液得到的不同長(zhǎng)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(xiàn)出大面積島狀的均勻分布；隨著AgNO3濃度增加，銀顆粒出現(xiàn)大量的團(tuán)簇（c），甚至形成樹(shù)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(shuō)，改變鍍銀溶液的濃度可以改變Ag的長(zhǎng)徑比，而且隨著AgNO3濃度的改變，Ag的長(zhǎng)徑比明顯增加。

由此可得出結(jié)論：改變鍍銀溶液的濃度可以改變Ag的長(zhǎng)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(zhǎng) 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(lái)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(huì)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(nèi)呈現(xiàn)均勻陣列結(jié)構(gòu)。當(dāng)AgNO3濃度較低時(shí)（0.005M、0.01M），也即催化劑顆粒長(zhǎng)徑比較小時(shí)，腐蝕得到的硅納米線陣列發(fā)生彎折現(xiàn)象，由圖3.（e）可以明顯看出；而當(dāng)AgNO3濃度較高時(shí)候（0.015M、0.02M），也即催化劑顆粒長(zhǎng)徑比較大時(shí)，腐蝕過(guò)程中一直保持傾斜于基底Si（110）方向。經(jīng)過(guò)測(cè)試得知，折線型的硅納米線陣列腐蝕初期沿著[111]方向，后來(lái)變?yōu)閇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(duì)硅納米線陣列的腐蝕方向進(jìn)行有效控制。希望對(duì)鋰離子電池的負(fù)極材料的改進(jìn)提供一些幫助。

參考文獻(xiàn)

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