硅微結(jié)構(gòu)材料的制備及應(yīng)用.pdf

1、近年，微結(jié)構(gòu)材料特別是硅基半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的制備及其在能源、傳感器等方面的應(yīng)用已經(jīng)成為物理、化學(xué)、材料、生物、電子等諸多學(xué)科領(lǐng)域?qū)W者所共同關(guān)注的焦點(diǎn)。微結(jié)構(gòu)材料及其器件已經(jīng)成為二十一世紀(jì)初信息技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。
　　 本論文從一維、二維硅微結(jié)構(gòu)材料--多孔硅一維光子晶體和硅微通道入手，首先研究了HF溶液中多孔硅一維光子晶體的形成機(jī)制，同時(shí)深入地研究了該微結(jié)構(gòu)材料的制備方法，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而得到目標(biāo)多孔硅一維

2、光子晶體的制備工藝條件，隨后開展了陣列化島狀多孔硅一維光子晶體在非制冷紅外探測(cè)器中的應(yīng)用研究；另一方面，制備了具有較高深寬比的硅微通道結(jié)構(gòu)材料，并開展了它在超級(jí)電容器、直接甲醇燃料電池和生物傳感器等方面的研究工作，成功制備了基于硅微通道負(fù)載金屬鎳( Ni/Si-MCP)、負(fù)載氧化鎳(NiO/Si-MCP)和負(fù)載金屬鎳-鈀(Ni-Pd/Si-MCP)的納米復(fù)合電極，進(jìn)一步研究了NiO/Si-MCP電極材料的電容特性，Ni/Si-MCP和N

3、i-Pd/Si-MCP兩種復(fù)合材料電極對(duì)甲醇和葡萄糖的電催化氧化性能。實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果表明：陣列化島狀多孔硅一維光子晶體的制備方法及其在非制冷紅外探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用有一定創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值；硅微通道負(fù)載金屬鎳鈀復(fù)合電極的制備及其在直接甲醇燃料電池中的應(yīng)用創(chuàng)新更具特色，對(duì)發(fā)展新型直接甲醇燃料電池一體化電極意義重大?？傊栉⒔Y(jié)構(gòu)材料在紅外探測(cè)器、超級(jí)電容器、直接醇類燃料電池、生物傳感器及生物燃料電池等領(lǐng)域均有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本論文主要研究?jī)?nèi)

4、容和成果包括：
　　 1．多孔硅一維光子晶體的形成機(jī)制研究本部分主要對(duì)多孔硅一維光子晶體的形成原理及相關(guān)理論基礎(chǔ)進(jìn)行了深入探討，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合MATLAB軟件對(duì)多孔硅一維光子晶體的工藝過(guò)程進(jìn)行了參數(shù)模擬分析和討論，為成功制備不同禁帶中心波段的多孔硅一維光子晶體提供了理論支持。
　　 2．島狀陣列化一維多孔硅光子晶體的制備在此部分我們首先采用傳輸矩陣法并利用MATLAB軟件對(duì)中心波段分別位于5μm、6μm、7μm、10μ

5、m的多孔硅一維光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論模擬分析和設(shè)計(jì)；其次在EC-LABII（自制電化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）上采用ADLink2501數(shù)據(jù)卡和Labview軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，調(diào)控樣品制作過(guò)程中的最佳運(yùn)行參數(shù)，制備目標(biāo)樣品；然后通過(guò)SEM和FTIR等測(cè)量技術(shù)對(duì)其氧化前后的的形貌及光學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化后出現(xiàn)禁帶中心藍(lán)移現(xiàn)象；最后討論了其紅外頻譜寬角度反射器實(shí)現(xiàn)的可行性。
　　 為了更好地符合實(shí)際器件制作需求，我們結(jié)合上述各

6、波段非陣列化光子晶體的制作過(guò)程參數(shù)及實(shí)驗(yàn)中氧化工藝影響，通過(guò)調(diào)整理論模擬及實(shí)驗(yàn)程控參數(shù)成功制備了中心波段位于l2μm的陣列化島狀多孔硅一維光子晶體，為構(gòu)建高靈敏度的非制冷紅外探測(cè)器提供了有益的基礎(chǔ)性工作。
　　 3．高深寬比硅微通道制備本部分闡述了如何結(jié)合傳統(tǒng)微電子加工工藝與電化學(xué)腐蝕技術(shù)來(lái)制備硅微通道的方法，其中主要包括氧化、光刻、KOH溶液中倒金字塔誘導(dǎo)坑的刻蝕、HF溶液中低溫程控刻蝕等工藝步驟，以及一些自制高深寬比硅微通道

7、刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用方法等。最后對(duì)制備樣品進(jìn)行測(cè)試和表征，結(jié)果顯示用該方法可制備出開口為5μm×5μm，深度最高可達(dá)250μm，且形貌均一，結(jié)構(gòu)完整的硅微通道結(jié)構(gòu)。此外，探索了在硅微通道板上進(jìn)行無(wú)磷化學(xué)鍍Ni薄膜的工藝過(guò)程，并進(jìn)一步研究了以NiO/Si-MCP納米復(fù)合材料為電極材料制備新型超級(jí)電容器的可行性。
　　 4．修飾改性后的硅微通道在新能源及生物傳感器領(lǐng)域應(yīng)用研究本部分首先研究了直接甲醇燃料電池的現(xiàn)狀和目前陽(yáng)極催化劑所

8、存在的最主要的問(wèn)題，然后對(duì)制備好的硅微通道進(jìn)行修飾改性，采用化學(xué)鍍技術(shù)，在其表面和內(nèi)壁上沉積了鎳和鎳．鈀鍍層,并對(duì)兩種復(fù)合鍍層材料進(jìn)行表征后制備成電極，以檢測(cè)其在堿性溶液中兩種結(jié)構(gòu)對(duì)甲醇的催化氧化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：Ni/Si-MCP納米復(fù)合電極對(duì)甲醇存在敏感特性，但催化氧化活化電位較高；而Ni-Pd/Si-MCP納米復(fù)合電極可以更容易和更好地催化氧化甲醇，并能極大降低甲醇氧化活化能；說(shuō)明硅微通道是一個(gè)非常好的催化劑載體，它使催化劑分布

9、得更加均勻且可提供較大的催化反應(yīng)比表面積，較規(guī)則的通道也有利于溶液的流通。同時(shí)，一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試預(yù)示Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料電極在直接甲醇燃料電池領(lǐng)域有極廣泛的應(yīng)用前景，為醇類生物燃料電池一體化催化電極的進(jìn)一步研究提供了良好的平臺(tái)。另一方面，本部分還進(jìn)行了Ni/Si-MCP與Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料電極對(duì)葡萄糖催化氧化的性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示兩種復(fù)合材料電極都會(huì)對(duì)葡萄糖濃度敏感，但是Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料電極對(duì)葡

10、萄糖敏感度更高，其靈敏度可達(dá)81.4μAmM-I，檢測(cè)限可達(dá)5μM。顯示了Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料電極在構(gòu)建葡萄糖燃料電池和葡萄糖傳感器方面有巨大潛力。
　　 綜上所述，本文主要成果有：首先，制備了一種應(yīng)用于紅外熱釋電探測(cè)器襯底結(jié)構(gòu)的既可絕熱又可對(duì)特定波段紅外光有較好反射效果的陣列化島狀多孔硅一維光子晶體結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建高性能的硅基紅外探測(cè)器襯底提供了可行方案；其次，發(fā)展了一種以硅微通道(Si-MCP)陣列為支撐結(jié)構(gòu)的非貴金

11、屬電催化電極材料（Ni-Pd/Si-MCP），其催化劑分散良好，利用效率高；第三，研究了基于Ni-Pd/Si-MCP一體化催化電極對(duì)甲醇的催化氧化性能，研究結(jié)果表明該電極作為直接甲醇燃料電池(DMFC)的陽(yáng)極材料對(duì)甲醇有良好的催化氧化能力，可實(shí)現(xiàn)較負(fù)的開啟電位和較大的催化電流密度，在構(gòu)建新型DMFC方面有巨大應(yīng)用潛力；最后，討論了Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料電極在新能源以及生物傳感器方面的應(yīng)用。
　　 總之，該課題的研究方法