三維有序大孔硅和鍺材料的制備及其光學、電化學性能研究.pdf

1、硅和鍺是兩種常見的半導體材料，具有高折射率和高介電常數(shù)的特點，是當代為光電器件的基礎(chǔ)材料。三維硅、鍺光子晶體薄膜，能夠?qū)雽w材料的光電特性與光子晶體的帶隙特性相結(jié)合，以獲得新的光電功能，從而有用于全光開關(guān)、光通訊、光子晶體LED以及光子晶體太陽能電池等領(lǐng)域的前景。另外，硅、鍺作為儲鋰材料，具有很高的理論的容量，特殊的有序多孔結(jié)構(gòu)可以提高嵌鋰脫鋰能力。
　　本文以兩種典型的半導體材料——硅、鍺為研究材料體系，特色在于使用離子液體電

2、沉積這種綠色電化學方法，反復制聚苯乙烯(PS)膠體晶體模板結(jié)構(gòu)，得到的三維有序大孔結(jié)構(gòu)硅、鍺光子晶體薄膜。細致分析了離子液體電沉積中的工藝參數(shù)以及UV引入對薄膜形貌的影響。還針對膠體晶體模板和三維光子晶體結(jié)構(gòu)，分析了光學特性，研究了其帶隙特性。最后，討論將這種三維多孔結(jié)構(gòu)，研究其作為鋰電負極材料的電化學和電池性能。
　　以新型的離子液體作為電解質(zhì)進行的電沉積，是一種綠色的室溫方法，避免了高能耗、高污染的高溫熔融鹽電解質(zhì)。研究了三維

3、有序大孔(3DOM)硅薄膜或硅光子晶體的制備，對其工藝參數(shù)進行分析。針對不同粒徑的PS模板、不同電解液濃度以及不同沉積溫度下得到的薄膜形貌，選擇最佳實驗條件。最適合的模板為粒徑400-600 nm。濃度最適合的條件為0.1 mol/L，溫度為室溫或40 oC。并且使用垂直的三電極電解池，可得到有序面積高達60μm×60μm的3DOM Si樣品。對于硅在離子液體中電沉積機理，通過電化學方法進行了研究，證明其是具有高電荷傳輸電阻的擴散控制過

4、程。
　　引入UV照射輔助硅、鍺的離子液體電沉積，并對其沉積薄膜的形貌進行了細致分析。UV可以增加SiCl4+[Py1,4]Tf2N和GeCl4+[EMIm]Tf2N兩種體系電沉積的反應活性，通過開路電壓，循環(huán)伏安曲線等電化學曲線可以證明。不同UV照射條件下，可以得到不同形貌的Ge薄膜，尤其是得到了一種特殊的鍺納米小方塊結(jié)構(gòu)。能夠得到鍺納米小方塊最明顯的條件為365 nm UV照射沉積時間為10-15 min，濃度為0.1 mol

5、/L。對于鍺的電解液體系，UV照射下會出現(xiàn)明顯綠色熒光。對于Si的離子液體電沉積，UV照射只能增大Si薄膜中的納米顆粒，不能產(chǎn)生納米方塊結(jié)構(gòu)。
　　對光子晶體的光子帶隙進行分析，利用Bragg-Snell方程和修正的動態(tài)衍射理論進行分析，對于一級、二級衍射的形成分析其不同晶面的作用。針對PS模板的帶隙實測值和理論值進行對照分析，分析其模板的有序度，并利用Fabry-Perot干涉條紋計算PS模板厚度。研究了PS/Si復合薄膜的光學

6、特性，反推沉積物Si對整體折射率的貢獻。分別考察了3DOM Si和3DOM Ge薄膜的光譜特性，針對3DOM Si的變角反射光譜，得到一個類似二維光柵的結(jié)果，并且變角反射峰的峰位能夠和布拉格方程有良好的對應，波長的平方和入射角正弦的平方呈線性關(guān)系。最后分析了激光衍射現(xiàn)象，由于硅具有較高折射率，小孔徑的硅光子晶體就能明顯產(chǎn)生對激光的衍射。
　　最后，在銅箔基板上原位制備了3DOM硅和鍺電極，并對其電化學性能、電池性能進行分析。3DO

7、M Si電極循環(huán)性能較差，以0.2C的充放電倍率循環(huán)50次后，容量僅保留750mAh/g，可能是由于3DOM Si電極的厚度較薄和氧化過快造成的。對比了致密的Ge納米薄膜和3DOM Ge電極，后者顯示了相對優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。0.2C倍率下50次循環(huán)后，3DOM Ge電極表現(xiàn)出高可逆容量844mAh/g，不同倍率充放電時，3DOM Ge電極的容量下降也顯然慢于Ge電極。這是因為3DOM結(jié)構(gòu)能夠提供大量的離子和電子通道，有助于循環(huán)性