硅微結構材料的制備及應用.pdf

1、近年，微結構材料特別是硅基半導體微結構材料的制備及其在能源、傳感器等方面的應用已經(jīng)成為物理、化學、材料、生物、電子等諸多學科領域學者所共同關注的焦點。微結構材料及其器件已經(jīng)成為二十一世紀初信息技術發(fā)展的主要方向之一。
　　 本論文從一維、二維硅微結構材料--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制，同時深入地研究了該微結構材料的制備方法，并通過大量實驗進行參數(shù)優(yōu)化，從而得到目標多孔硅一維

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器中的應用研究；另一方面，制備了具有較高深寬比的硅微通道結構材料，并開展了它在超級電容器、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載金屬鎳( Ni/Si-MCP)、負載氧化鎳(NiO/Si-MCP)和負載金屬鎳-鈀(Ni-Pd/Si-MCP)的納米復合電極，進一步研究了NiO/Si-MCP電極材料的電容特性，Ni/Si-MCP和N

3、i-Pd/Si-MCP兩種復合材料電極對甲醇和葡萄糖的電催化氧化性能。實驗和理論研究結果表明：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領域應用有一定創(chuàng)新和實用價值；硅微通道負載金屬鎳鈀復合電極的制備及其在直接甲醇燃料電池中的應用創(chuàng)新更具特色，對發(fā)展新型直接甲醇燃料電池一體化電極意義重大?？傊?，硅微結構材料在紅外探測器、超級電容器、直接醇類燃料電池、生物傳感器及生物燃料電池等領域均有著巨大的潛在應用價值。本論文主要研究內

4、容和成果包括：
　　 1．多孔硅一維光子晶體的形成機制研究本部分主要對多孔硅一維光子晶體的形成原理及相關理論基礎進行了深入探討，并在此基礎上結合MATLAB軟件對多孔硅一維光子晶體的工藝過程進行了參數(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構進行理論模擬分析和設計；其次在EC-LABII（自制電化學實驗平臺）上采用ADLink2501數(shù)據(jù)卡和Labview軟件對實驗過程進行實時控制，調控樣品制作過程中的最佳運行參數(shù)，制備目標樣品；然后通過SEM和FTIR等測量技術對其氧化前后的的形貌及光學性能進行檢測分析，結果發(fā)現(xiàn)氧化后出現(xiàn)禁帶中心藍移現(xiàn)象；最后討論了其紅外頻譜寬角度反射器實現(xiàn)的可行性。
　　 為了更好地符合實際器件制作需求，我們結合上述各

6、波段非陣列化光子晶體的制作過程參數(shù)及實驗中氧化工藝影響，通過調整理論模擬及實驗程控參數(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，為構建高靈敏度的非制冷紅外探測器提供了有益的基礎性工作。
　　 3．高深寬比硅微通道制備本部分闡述了如何結合傳統(tǒng)微電子加工工藝與電化學腐蝕技術來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、刻蝕設備結構特點和使用方法等。最后對制備樣品進行測試和表征，結果顯示用該方法可制備出開口為5μm×5μm，深度最高可達250μm，且形貌均一，結構完整的硅微通道結構。此外，探索了在硅微通道板上進行無磷化學鍍Ni薄膜的工藝過程，并進一步研究了以NiO/Si-MCP納米復合材料為電極材料制備新型超級電容器的可行性。
　　 4．修飾改性后的硅微通道在新能源及生物傳感器領域應用研究本部分首先研究了直接甲醇燃料電池的現(xiàn)狀和目前陽極催化劑所

8、存在的最主要的問題，然后對制備好的硅微通道進行修飾改性，采用化學鍍技術，在其表面和內壁上沉積了鎳和鎳．鈀鍍層,并對兩種復合鍍層材料進行表征后制備成電極，以檢測其在堿性溶液中兩種結構對甲醇的催化氧化性能。實驗結果顯示：Ni/Si-MCP納米復合電極對甲醇存在敏感特性，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；說明硅微通道是一個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比表面積，較規(guī)則的通道也有利于溶液的流通。同時，一系列實驗測試預示Ni-Pd/Si-MCP復合材料電極在直接甲醇燃料電池領域有極廣泛的應用前景，為醇類生物燃料電池一體化催化電極的進一步研究提供了良好的平臺。另一方面，本部分還進行了Ni/Si-MCP與Ni-Pd/Si-MCP復合材料電極對葡萄糖催化氧化的性能實驗研究，結果顯示兩種復合材料電極都會對葡萄糖濃度敏感，但是Ni-Pd/Si-MCP復合材料電極對葡

10、萄糖敏感度更高，其靈敏度可達81.4μAmM-I，檢測限可達5μM。顯示了Ni-Pd/Si-MCP復合材料電極在構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，制備了一種應用于紅外熱釋電探測器襯底結構的既可絕熱又可對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構，為構建高性能的硅基紅外探測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)陣列為支撐結構的非貴金

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一體化催化電極對甲醇的催化氧化性能，研究結果表明該電極作為直接甲醇燃料電池(DMFC)的陽極材料對甲醇有良好的催化氧化能力，可實現(xiàn)較負的開啟電位和較大的催化電流密度，在構建新型DMFC方面有巨大應用潛力；最后，討論了Ni-Pd/Si-MCP復合材料電極在新能源以及生物傳感器方面的應用。
　　 總之，該課題的研究方法