硅微結(jié)構(gòu)材料的制備和應(yīng)用

1、硅微結(jié)構(gòu)材料的制備及應(yīng)用【摘要】：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)多孔硅一維光子晶體的制備工藝條件,隨后開(kāi)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

2、開(kāi)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Ni-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。

3、總之,硅微結(jié)構(gòu)材料在紅外探測(cè)器、超級(jí)電容器、直接醇類(lèi)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)容和成果包括：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。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5m、6m、7m、10m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Labvie

4、w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12m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。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

5、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(kāi)口為5m×5m,深度最高可達(dá)250m,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。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

6、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(lèi)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

7、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)葡萄糖敏感度更高,其靈敏度可達(dá)81.4AmM-1,檢測(cè)限可達(dá)5M。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)的非貴金屬電催化電極材料(Ni-Pd/Si-MCP),

8、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(kāi)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?？傊?該課題的研究方法及成果一方面對(duì)構(gòu)建高效紅外熱釋電探測(cè)器提供了新的可行方案,另一方面對(duì)發(fā)展低成本、可集成、一體化新型直接甲醇燃料電池或新型可集成生物傳感器系統(tǒng)具有重要意義,為微納技術(shù)在綠色能源和新型傳感器器件應(yīng)用領(lǐng)域研究提供了豐富素材,具有

9、一定科研價(jià)值,其成果的進(jìn)一步發(fā)展必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益?！娟P(guān)鍵詞】：多孔硅一維光子晶體陣列非制冷紅外熱釋電傳感器硅微通道電化學(xué)超級(jí)電容器直接甲醇燃料電池葡萄糖傳感器【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)【學(xué)位級(jí)別】：博士【學(xué)位授予年份】：2010【分類(lèi)號(hào)】：TN304【目錄】：摘要6-9Abstract9-20第一章緒論20-441.1微電子機(jī)械系統(tǒng)及硅微加工技術(shù)20-241.1.1MEMS技術(shù)概述20-211.1.2基于MEMS的硅微加工技術(shù)概述21-231.1.3MEMS技術(shù)研究進(jìn)展23-241.2硅微結(jié)構(gòu)材料制備24-321.2.1硅微結(jié)構(gòu)材料的研究歷史與發(fā)展趨勢(shì)24-251.2.2硅微結(jié)

10、構(gòu)材料的形成機(jī)理25-291.2.3幾種主要刻蝕技術(shù)29-311.2.4硅微結(jié)構(gòu)材料制備的其它方法31-321.3硅微結(jié)構(gòu)材料的表面修飾改性32-351.3.1硅微結(jié)構(gòu)材料表面化學(xué)修飾改性的目的321.3.2硅微結(jié)構(gòu)材料的修飾改性方法32-351.4硅微結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用351.5本文擬展開(kāi)的研究方案及可行性分析35-37參考文獻(xiàn)37-44第二章硅微結(jié)構(gòu)材料-一維光子晶體制備44-742.1一維多孔硅微結(jié)構(gòu)材料-多孔硅光子晶體概述44-502.1.1光子晶體簡(jiǎn)介44-472.1.2光子晶體研究現(xiàn)狀47-482.1.3光子晶體的應(yīng)用48-502.1.4基于多孔硅一維光子晶體簡(jiǎn)介502.2多孔硅一維光

11、子晶體的原理及相關(guān)理論基礎(chǔ)50-542.2.1光子晶體的基本原理50-512.2.2光子晶體的麥克斯韋方程51-522.2.3光子晶體的理論研究方法52-532.2.4多孔硅一維光子晶體模型53-542.3多孔硅一維光子晶體的設(shè)計(jì)54-572.3.1多孔硅一維光子晶體折射率的計(jì)算54-562.3.2基于MATLAB的多孔硅一維光子晶體設(shè)計(jì)56-572.4多孔氧化硅一維光子晶體的制備及表征57-682.4.1多孔硅一維光子晶體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備57-602.4.2多孔氧化硅一維光子晶體制備工藝參數(shù)的處理60-642.4.3多孔氧化硅一維光子晶體的制備工藝流程64-662.4.4多孔硅一維光子晶體的實(shí)驗(yàn)結(jié)

12、果與分析66-682.5本章小結(jié)68-69參考文獻(xiàn)69-74第三章部分氧化多孔硅一維光子晶體在紅外探測(cè)器中的應(yīng)用74-863.1紅外熱釋電探測(cè)器概述74-763.2遠(yuǎn)紅外波段多孔硅一維光子晶體陣列的制備76-793.2.1研究意義763.2.2遠(yuǎn)紅外波段一維光子晶體的實(shí)現(xiàn)76-783.2.3遠(yuǎn)紅外波段島狀多孔硅一維光子晶體陣列的制備78-793.3遠(yuǎn)紅外波段島狀多孔硅一維光子晶體陣列的表征79-823.4本章小結(jié)82-84參考文獻(xiàn)84-86第四章二維硅微結(jié)構(gòu)材料-硅微通道的制備、修飾及潛在應(yīng)用86-1104.1硅微通道概述86-874.2硅微通道制備87-984.2.1實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備87-90

13、4.2.2硅片及刻蝕溶液參數(shù)904.2.3制備高深寬比自分離硅微通道材料的具體工藝流程及工藝參數(shù)90-964.2.4高深寬比自分離硅微通道表征96-984.3硅微通道表面及側(cè)壁化學(xué)無(wú)磷鍍鎳工藝98-1014.3.1化學(xué)無(wú)磷鍍鎳的原理984.3.2硅微通道的預(yù)處理984.3.3無(wú)磷鍍鎳的工藝方法98-994.3.4分組實(shí)驗(yàn)99-1004.3.5結(jié)果與分析100-1014.4NiO/Si-MCP超級(jí)電容器特性研究101-1054.5本章小結(jié)105-107參考文獻(xiàn)107-110第五章硅微通道在燃料電池中的應(yīng)用110-1365.1燃料電池概述110-1145.1.1燃料電池的發(fā)展歷史110-1115.

14、1.2燃料電池的分類(lèi)111-1125.1.3燃料電池的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)1125.1.4直接甲醇燃料電池(DMFC)研究現(xiàn)狀112-1145.2堿性膜直接甲醇燃料電池概述114-1185.2.1堿性膜直接甲醇燃料電池的工作原理115-1165.2.2甲醇陽(yáng)極氧化116-1175.2.3氧氣陰極還原117-1185.3硅微通道表面及側(cè)壁化學(xué)修飾鎳-鈀復(fù)合材料的制備及表征118-1195.3.1鎳-鈀/硅微通道復(fù)合材料制備方法1185.3.2鎳-鈀/硅微通道復(fù)合材料表征118-1195.4Ni/Si-MCP及Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料催化電極的制備119-1205.4.1制備N(xiāo)i/Si-MCP復(fù)合材

15、料電極119-1205.4.2制備N(xiāo)i-Pd/Si-MCPMCP復(fù)合材料電極1205.5Ni/Si-MCP及Ni-Pd/Si-MCP納米復(fù)合材料催化電極應(yīng)用研究120-1265.5.1實(shí)驗(yàn)化學(xué)試劑1205.5.2電極的電化學(xué)性能測(cè)試體系120-1215.5.3Ni/Si-MCP及Ni-Pd/Si-MCP復(fù)合材料催化電極對(duì)甲醇電催化氧化121-1265.6Ni-Pd/Si-MCP納米復(fù)合電極催化氧化甲醇的性能影響因素126-1295.6.1不同KOH的濃度下對(duì)比126-1275.6.2不同甲醇濃度變化的對(duì)比1275.6.3正向掃描電壓窗口的影響127-1285.6.4溫度變化的對(duì)比128-1295.7本章小結(jié)129-130參考文獻(xiàn)130-136第六章硅微通道化學(xué)修飾電極葡萄糖敏感特性研究136-1466.1糖類(lèi)概述1366.2葡萄糖生物燃料電池及生物傳感器136-1376.3Ni/Si-MCP和Ni-Pd/Si-MCP納米復(fù)合電極