聚苯乙烯纳米球模板和Si衬底的微结构随离子束轰击时间的演变规律

李东泽¹，张明灵¹，杨杰^1,2，王茺^1,2，杨宇^2,3

1. 云南大学材料科学与工程学院2. 云南大学国家光电子能源材料国际联合研究中心3. 云南大学能源研究院

摘 要：使用离子束正入射轰击Si衬底上有序密排的聚苯乙烯（PS）纳米球模板,通过分析PS纳米球和Si衬底的微结构与离子束轰击时间的关系,研究了离子束的非选择性刻蚀对PS纳米球和Si衬底的刻蚀作用。实验结果表明:随着离子束轰击时间的延长,PS纳米球的直径和高度都呈单调递减的趋势,但是高度减小得更快。在这个过程中,PS纳米颗粒发生了由对称的圆形到非对称的圆形再到圆锥形的形貌转变,第一阶段的形变是离子束的各向异性刻蚀造成的,第二阶段可能与离子束的长时间轰击导致的热量积累有关。当PS纳米颗粒的尺寸和形貌发生变化的同时,Si衬底的微结构也在改变。当轰击时间为4 min时,在PS纳米颗粒下方观察到凸起的Si平台,随着时间的延长,Si平台的底端直径呈先稳定后减小的趋势,其高度则持续增加。同样,Si平台也经历着形貌的转变,第一阶段由圆柱形平台向截顶圆锥形平台转变,该形貌转变导致Si平台底端直径在轰击初期保持稳定;第二阶段发生在PS纳米颗粒消失后,由截顶圆锥形转变为圆锥形,形成了有序的Si纳米锥阵列,其直径在65～100 nm范围内。结合金属辅助化学刻蚀以及合适的非密排PS纳米颗粒模板,制备出有序的Si纳米线阵列,纳米线的直径为70～124 nm。这些结果为新型有序纳米材料的研制和应用提供了一定的基础及参考。

关键词：离子束刻蚀;纳米球刻蚀;有序阵列;Si纳米线;Si纳米锥;