发布日期: 2020-03-25【教师】

信息学院电子学系陈清教授课题组在湿法化学刻蚀研究中取得重要进展

湿法化学刻蚀作为一种调控表面形貌及结构的方法,普遍应用于各行各业。例如,在催化领域,用以获得各种形状的纳米颗粒,而颗粒的不同表面可能表现出不同的催化特性;在半导体领域,用以获得各种硅结构;此外,还可用以获得纳米管、纳米笼等中空结构。然而,由于缺乏在纳米或原子尺度上直接观察溶液中动态变化的有效手段,湿法化学刻蚀的一些基础理论,包括形状控制理论、刻蚀的动力学过程等,还不够清楚和完善。

北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室陈清教授研究组及其合作者(信息学院微纳电子学系李志宏教授研究组和北京科技大学张跃教授研究组)借助自主研发的单面刻蚀工艺(用来制备原位研究用的样品)和原位液体透射电子显微学方法,在透射电镜中原位实时研究了氧化锌纳米带的(000-1)氧面在电子束辐照下的水中的湿法化学刻蚀过程。他们观察到,氧化锌的(000-1)氧面被刻蚀成规则的三角形小丘,小丘表面是高指数的{01-1-3}面(如图)。而在一般的湿法化学刻蚀过程中,(000-1)氧平面会被刻蚀成由低指数的{01-1-1}面构成的小丘。随后,进一步通过一系列对比实验发现,湿法刻蚀前的氧等离子体处理是出现{01-1-3}面,而非{01-1-1}面的原因;此外,实验证实了这种方法不仅适用于氧化锌纳米材料,而且适用于氧化锌体材料。通常,高指数面比低指数面具有更高的活性、更利于催化等反应,但前者通常难以形成。因此,这一可控实现高指数表面的方法在多个相关领域有着重要意义。

与此同时,课题组还在原位液体电镜实验中观察到湿法化学刻蚀的微掩膜机制作用的整个过程,使得该机制首次从实验上得以直接证实(尽管早已被提出并广泛应用,此前却始终缺乏直接的实验证据)。

日前,相关结果以《在湿法化学腐蚀氧化锌的(000-1)氧终结面过程中控制氧化锌的暴露表面》(Controlling the facet of ZnO during wet chemical etching its (0001-) O-teminated surface)为题,被选做前封面(front piece)文章在线发表于材料领域知名期刊《小》(SmallDOI: 10.1002/smll.201906435)。信息学院2015级博士研究生孙梅为论文第一作者,陈清为通讯作者。“Materials View中国”官网于2020323日报道了这一研究进展。

相关工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金资助;所用的透射电子显微镜是北京大学电子显微镜实验室的设备。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201906435

Materials View中国”报道链接:https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43548/

ZnO纳米带样品(000-1)氧终结面在湿法化学刻蚀过程中表面逐渐形成三角形小丘结构(ad);对刻蚀后的ZnO样品进行高分辨透射电镜分析得到三角形小丘表面的晶面指数为{01-1-3}高指数面(eh)。