Chế tạo dõy nano Si theo cỏch tiếp cận “từ trờn xuống” dựa trờn nguyờn tắc sử dụng cỏc kỹ thuật quang khắc và quỏ trỡnh ăn mũn để ăn mũn lựa chọn cỏc vị trớ ở bề mặt phiến Si để hỡnh thành dõy nano Si [68]. Hiện nay, cú nhiều phƣơng phỏp khỏc nhau theo cỏch tiếp cận “từ trờn xuống” đƣợc sử dụng để chế tạo dõy nano Si nhƣ phƣơng phỏp quang khắc chựm điện tử [110], phƣơng phỏp ăn mũn ion phản ứng [17], phƣơng phỏp ăn mũn húa học với sự trợ giỳp của kim loại [58, 66]. Trong cỏc phƣơng phỏp này, phƣơng phỏp quang khắc chựm điện tử và phƣơng phỏp ăn mũn ion phản ứng cú nhƣợc điểm là tốn nhiều thời gian để giảm kớch thƣớc xuống kớch thƣớc nano và thiết bị rất đắt tiền [17, 110]. Phƣơng phỏp phổ biến nhất đƣợc sử dụng để chế tạo dõy nano Si theo cỏch tiếp cận “từ trờn xuống” là ăn mũn húa học với sự trợ giỳp của kim loại. Chế tạo dõy nano Si bằng phƣơng phỏp này dựa trờn nguyờn tắc [58]: (i) oxy húa Si ở cỏc vị trớ hạt kim loại xỳc tỏc trờn phiến Si, và (ii) ăn mũn lớp oxit SiO2 bằng axit HF. Nhƣ vậy, cỏc tỏc nhõn gõy oxy húa Si nhƣ H2O2 hoặc Ag(NO3)3 là cỏc chất khụng thể thiết trong quỏ trỡnh chế tạo dõy nano Si bằng phƣơng phỏp này. Thụng thƣờng, quỏ trỡnh chế tạo dõy nano Si gồm hai bƣớc: (i) lắng đọng một lớp kim loại xỳc tỏc lờn bề mặt phiến Si và (ii) ngõm phiến Si phủ kim loại xỳc tỏc này vào trong dung dịch HF chứa cỏc tỏc nhõn gõy oxy húa nhƣ H2O2, Fe(NO3)3, Ag(NO3)3, HNO3 để phiến Si này bị oxy húa và bị ăn mũn lựa chọn vị trớ để hỡnh thành dõy nano Si.
Hỡnh 2.12. Quỏ trỡnh hỡnh thành dõy nano Si của đế Si phủ Ag trong dung dịch HF/H2O2:
(a) cỏc đảo Ag hỡnh thành trờn bề mặt đế Si, (b) ăn mũn chọn lọc ở vị trớ cú kim loại Ag, (c) sự hỡnh thành cỏc cấu trỳc nano Si và (d) phỏt triển thành cỏc dõy nano Si [45]
Hỡnh 2.12 mụ tả quỏ trỡnh hỡnh thành dõy nano Si của đế Si phủ Ag trong dung dịch H2O/HF [45]. Đầu tiờn, lắng đọng một lớp màng mỏng Ag lờn trờn bề mặt phiến Si. Khi tiến hành ủ nhiệt, màng Ag trờn bề mặt phiến Si bị phỏ vỡ, co cụm lại hỡnh thành ra cỏc đảo Ag trờn bề mặt phiến Si. Khi ngõm đế Si chứa cỏc đảo Ag này vào trong dung dịch H2O/HF thỡ cỏc nguyờn tử Si nằm dƣới cỏc đảo Ag này bị oxy húa thành SiO2 do vựng Si nằm dƣới đảo Ag đƣợc xem nhƣ là điện cực dƣơng. Khi lớp SiO2 nằm dƣới Ag này bị ăn mũn bởi axit HF và hỡnh thành hố nụng trờn bề mặt phiến Si. Cỏc đảo Ag nằm phớa trờn tỏc động nhƣ điện cực õm vận chuyển cỏc điện tử sinh ra từ Si để thuận tiện cho việc oxy húa Si hỡnh thành cỏc hố sõu trờn bề mặt phiến Si. Theo thời gian, cỏc nguyờn tử Si nằm dƣới
49
Ag bị ăn mũn thành cỏc hố rất sõu để lại dõy nano Si hỡnh thành thẳng đứng trờn phiến Si trong vựng khụng chứa cỏc đảo Ag. Ƣu điểm của phƣơng phỏp ăn mũn húa học với sự trợ giỳp của kim loại là cú thể chế tạo một số lƣợng lớn dõy nano Si với chi phớ thấp và cỏc dõy nano Si chế tạo bằng phƣơng phỏp này đó đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau [68].
Hỡnh 2.13. Quỏ trỡnh hỡnh thành dõy nano Si bằng phƣơng phỏp kết hợp quỏ trỡnh ăn mũn
húa học với sự trợ giỳp của kim loại và kỹ thuật quang khắc: (a) lắng đọng đơn lớp silica tinh thể lờn bề mặt đế silic, (b) ủ nhiệt và ăn mũn húa học để hỡnh thành hạt nano silica trờn bề mặt đế silic, (c) lắng đọng lớp kim loại xỳc tỏc Ag lờn trờn bề mặt đế silic cú chứa hạt nano silica, (d) loại bỏ hạt silica khỏi bề mặt đế silic để hỡnh thành cỏc đảo kim loại xỳc tỏc Ag và (e) ăn mũn húa học với trợ giỳp của kim loại ở những vựng phớa dƣới đảo kim loại xỳc tỏc Ag để hỡnh thành dõy nano Si [67]
Một số tỏc giả khỏc [67] đó tạo ra cỏc dõy nano Si với kớch thƣớc chớnh xỏc bằng phƣơng phỏp kết hợp quỏ trỡnh ăn mũn húa học với trợ giỳp của kim loại bằng kỹ thuật quang khắc. Hỡnh 2.13 mụ tả quỏ trỡnh hỡnh thành dõy nano Si bằng phƣơng phỏp này. Đầu tiờn quang khắc cỏc hạt nano SiO2 hỡnh cầu lờn trờn bề mặt phiến Si. Sau đú, phủ kim loại
50
xỳc tỏc Ag lờn trờn bề mặt đế này. Tiến hành loại bỏ cỏc hạt nano SiO2 hỡnh cầu ra khỏi bề mặt phiến Si tạo ra cỏc vựng bề mặt Si mà khụng phủ kim loại xỳc tỏc Ag. Khi ngầm phiến này vào dung dịch HF/H2O, vựng Si phủ kim loại xỳc tỏc Ag bị ăn mũn hỡnh thành cỏc hố sõu và vựng Si khụng phủ Ag khụng bị ăn mũn hỡnh thành dõy nano Si. Nhƣ vậy, bằng việc sử dụng cỏc hạt nano SiO2 hỡnh cầu kết hợp với quỏ trỡnh ăn mũn húa học phiến Si với sự trợ giỳp của kim loại xỳc tỏc, ngƣời ta đó chế tạo đƣợc dõy nano Si với đƣờng kớnh xỏc định chớnh xỏc dựa vào kớch thƣớc của hạt nano SiO2 hỡnh cầu lắng đọng lờn phiến Si. Ƣu điểm của phƣơng phỏp này là cú thể điều khiển đƣợc kớch thƣớc dõy nano Si dựa vào kớch thƣớc hạt nano SiO2 và nhƣợc điểm của phƣơng phỏp này là phải sử dụng cỏc kỹ thuật hiện đại nhƣ kỹ thuật quang khắc với chi phớ rất đắt tiền để chế tạo dõy nano Si.