2 段階の MACE プロセスにおける金属触媒の形状とエッチング液の組成を制御したシリコンナノワイヤの微細構造の工学。成長メカニズムの詳細な解析

Engineering the Microstructure of Silicon Nanowires by Controlling the Shape of the Metal Catalyst and Composition of the Etchant in a Two-step MACE Process: An In-depth Analysis of the Growth Mechanism.

• T K Adhila
• Hemaprabha Elangovan
• Siju John
• Kamanio Chattopdhyay
• Harish Chandra Barshilia

抄録

本研究では、Si(111)および(100)基板上に、2段階のメタルアシスト化学エッチングナノ加工技術を用いて、傾斜、キンク、およびストレートのシリコンナノワイヤ(SiNW)を作製した。われわれは、Si(111)および(100)基板上のAg触媒のエッチングプロファイルに及ぼす結晶構造、Ag触媒の形態、およびエッチング液の組成の影響を系統的に調べた。その結果、AgNPのSi内部での移動は、Ag/Ag相互作用,Ag/Si相互作用,Ag/Si相互作用などの物理化学的イベントによって決定されることがわかった。Ag/Ag相互作用、Ag/Si接触、拡散速度などの物理化学的イベントによって決定されることがわかった。さらに、詳細なTEM及びマイクロラマン分光分析から、界面効果が支配的でない場合にのみ、金属触媒が結晶学的に好ましいエッチング方向(<100>)に移動することを明らかにした。さらに、低濃度のめっき液やエッチング液では安定性が高いが、高濃度になると安定性が失われ、ランダム性が高くなり、<100>以外の方向にAg触媒が移動することを明らかにした。さらに、ガルバニック変位によるSi(111)や(100)基板上でのAgナノ構造の成長は、基板の対称性と表面結合密度によって制御されることを明らかにしました。最後に、Agの形態とエッチング液の濃度のバランスを最適化することで、傾斜したSiNWの角度、キンクしたSiNWのキンク位置、ストレートSiNWのアスペクト比を適切に制御することができ、広帯域ソーラースペクトルでの光吸収の向上につながることを実証しました。

In this work, slanted, kinked and straight silicon nanowires (SiNWs) are fabricated on Si(111) and (100) substrates using a facile two-step metal-assisted chemical etching nanofabrication technique. We systematically investigated the effect of crystallography, morphology of Ag catalyst and composition of etchant on the etch profile of Ag catalyst on Si(111) and (100) substrates. We found that the movement of AgNPs inside the Si is determined by physiochemical events such as: Ag/Ag interaction, Ag/Si contact and diffusion kinetics. Further, from detailed TEM and micro-Raman spectroscopy analyses, we demonstrate that the metal catalyst moves in crystallographically preferred etching direction (viz., <100>) only when the interface effect is not predominant. Further, the MACE system is highly stable at low concentrated plating and etching solutions, but at high concentrations the system loses its stability and becomes highly random, leading to the movement of Ag catalyst in directions other than <100>. In addition, our studies reveal that Ag nanostructures growth on Si(111) and (100) substrates through galvanic displacement is controlled by substrate symmetry and surface bond density. Finally, we demonstrate that by using an optimised balance between the Ag morphology and concentration of the etchant the angle in slanted SiNWs, kink position in kinked SiNWs and aspect ratio of straight SiNWs can be controlled judiciously, leading to enhanced optical absorption in broadband solar spectrum.