超声波增强金属辅助化学刻蚀法制备大尺寸高深宽比硅纳米孔阵列及其机理研究

本研究针对金属辅助化学刻蚀（MACE）过程中传质受限导致硅（Si）纳米孔阵列深宽比和垂直度不足的难题，提出超声波增强MACE新方法。通过优化刻蚀剂浓度与超声参数，实现了刻蚀速率提升22.73%（达0.82 μm·min?1），并成功制备出深度24.35 μm、深宽比34.8的大面积均匀Si纳米孔阵列，为传感器、太阳能电池等应用提供了突破性加工技术。

　　

硅纳米孔阵列在传感器、太阳能电池等领域具有重要应用前景，但传统金属辅助化学刻蚀（MACE）技术面临传质效率低、深宽比受限等瓶颈。尤其当孔深增加时，反应物难以到达孔底，导致刻蚀不均匀、垂直度下降。现有文献报道的Si纳米孔最大深度仅数微米，难以满足高集成度器件需求。针对这一挑战，中国的研究团队创新性引入超声波辅助技术，通过声流效应和微射流增强传质，在《Surfaces and Interfaces》发表了突破性成果。

研究采用光刻与电子束蒸发制备金（Au）纳米盘阵列催化剂，建立超声-MACE耦合系统，系统探究刻蚀剂浓度、超声参数对孔形貌和刻蚀动力学的影响。通过扫描电镜（SEM）表征形貌，量化刻蚀速率与临界深度，并结合流体动力学模型解析超声增强机制。

研究结果

1. 刻蚀剂浓度效应：发现氧化剂浓度与刻蚀时间可定制纳米孔的锥角（taper angle）、孔隙率和表面粗糙度，n型Si因肖特基势垒界面电场表现出更高各向异性。
2. 超声增强性能：超声使刻蚀速率提升至0.82 μm·min^?1，较传统MACE提高22.73%，临界深度突破24.35 μm。声空化与微流效应增大了有效传质面积，促进反应物更新。
3. 形貌控制机制：超声诱导的对流和微射流（microstreaming）抑制了离散催化剂的非垂直运动，保障了孔壁垂直度（深宽比达34.8）。

结论与意义
该研究首次将超声波物理场与MACE化学过程协同，阐明声流增强传质的微观机制，解决了高深宽比纳米孔阵列加工的世界性难题。所制备的Si纳米孔在深度（24.35 μm）和均匀性上刷新纪录，为三维集成芯片、生物传感器等提供了新工艺范式。未来可通过优化超声频率与功率，进一步拓展纳米结构在光电器件中的应用边界。