三維硅基微型儲(chǔ)能系統(tǒng)納米陣列陽(yáng)極的制備及特性研究.pdf

1、硅基微型儲(chǔ)能系統(tǒng)，鑒于其良好的工藝制備兼容性、與微納米智能器件的可集成性，是近些年來(lái)重要的研究發(fā)展方向。微型儲(chǔ)能系統(tǒng)，可作為獨(dú)立片上供電系統(tǒng)，為M/NEMS(Micro/Nano Electro Mechanical Systems，M/NEMS)等微納米器件供電，如智能卡、微型傳感器與執(zhí)行器、微型機(jī)器人等，在生物醫(yī)藥、軍工、金融、航天、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能通信、納米科技等眾多智能領(lǐng)域都有較大的應(yīng)用潛力。其中，三維硅基微型鋰/鈉離子電池儲(chǔ)能系

2、統(tǒng)，由于具備高能量/功率密度、優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性、工作環(huán)境范圍大、易微型化等優(yōu)點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)能源微型化、集成化、綠色化的最優(yōu)選擇之一，也是當(dāng)前微型儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，目前發(fā)展的三維硅基微型鋰/鈉離子電池，在制備方法上仍缺乏一定的半導(dǎo)體工藝兼容性，其電化學(xué)性能也仍需更進(jìn)一步的提高和改善，因而，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)還需更加深入的研究。本論文圍繞以上提出的工藝制備兼容性和儲(chǔ)能性能提升兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題展開了研究，主要內(nèi)容如下:
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3、、三維硅陣列結(jié)構(gòu)制備方面。首先，在晶圓襯底表面利用簡(jiǎn)單、成本較低、環(huán)境友好的自組裝旋涂方法，成功制備了單層聚苯乙烯(Polystyrene，PS)掩膜;隨后，采用電感耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma，ICP)干法刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維硅納米陣列襯底基礎(chǔ)電極;通過(guò)工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，獲得了獨(dú)特的三維六角形瓶狀硅納米陣列襯底電極，為電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性繼續(xù)改善奠定了基礎(chǔ)。然而，采用單純的三維硅納米陣列電極，其電化學(xué)儲(chǔ)

4、鋰/鈉性能仍不理想，需尋求一種有效的方法來(lái)大幅度提高其儲(chǔ)能性能。
　　2、三維硅基微型鋰離子電池陽(yáng)極儲(chǔ)能性能提升方面。首先，利用與半導(dǎo)體工藝兼容的射頻磁控濺射技術(shù)，制備了三維Si-SnO2復(fù)合納米陣列電極，通過(guò)電化學(xué)性能表征和嵌鋰循環(huán)后的電極結(jié)構(gòu)形貌表征，成功驗(yàn)證了SnO2殼層對(duì)三維硅襯底電極的積極儲(chǔ)鋰提升作用。其次，通過(guò)射頻磁控濺射和超高真空化學(xué)氣相沉積技術(shù)，分別制備了非/多晶和單晶Ge薄膜殼層電極，成功實(shí)現(xiàn)了三維硅/鍺復(fù)合納米

5、陣列電極儲(chǔ)鋰能力的大幅度提升。進(jìn)一步，利用第一性原理理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Si/Ge復(fù)合晶胞結(jié)構(gòu)相對(duì)單一Si晶胞具備較高的鋰原子吸附能和較低的遷移勢(shì)壘，從本質(zhì)上研究了Si/Ge電化學(xué)性能提升的機(jī)制。然而，三維Si/Ge復(fù)合納米陣列電極表現(xiàn)出明顯的容量攀升現(xiàn)象、電極循環(huán)穩(wěn)定性較差、嵌鋰循環(huán)后電極體積膨脹、以及整體電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待改善等問(wèn)題。
　　為進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，權(quán)衡好三維硅襯底電極的嵌鋰能力和電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性，本研究提出了TiN/T

6、i中間層引入概念，采用射頻磁控連續(xù)濺射方法，制備出多層三維Si/TiN/Ti/Ge復(fù)合納米陣列電極。鑒于TiN/Ti中間層的良好導(dǎo)電性能和離子阻擋作用，TiN/Ti中間層不僅可作為有效的電流收集極，提高Si/TiN/Ti/Ge復(fù)合電極的電子電導(dǎo)率，同時(shí)也有效地抑制鋰離子源源不斷地嵌入到襯底電極中，從而實(shí)現(xiàn)了三維硅襯底電極的良好儲(chǔ)能和高循環(huán)穩(wěn)定性能。
　　3、三維硅基微型鈉離子電池陽(yáng)極儲(chǔ)能方面。三維Si/TiN/Ti/Ge復(fù)合納米陣

7、列電極不僅具備優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能，同時(shí)，作為微型鈉離子電池陽(yáng)極電極材料，也表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。三維Si襯底電極主要作為電池整體的支撐結(jié)構(gòu)。Ge納米殼層電極作為唯一的嵌鈉電極材料，TiN/Ti中間層起到了良好的電子輸運(yùn)作用。而且，從理論計(jì)算方面也認(rèn)識(shí)到，Ge相對(duì)Si具備更高的鈉離子吸附能和較低的遷移勢(shì)壘。
　　總之，本研究通過(guò)利用半導(dǎo)體工藝兼容技術(shù)，制備出了各種三維硅基復(fù)合納米陣列電極結(jié)構(gòu)，其不僅具備優(yōu)異的電化學(xué)