硅微结构材料的制备及应用

硅微结构材料的制备及应用【摘要】：近年,微结构材料特别是硅基半导体微结构材料的制备及其在能源、传感器等方面的应用已经成为物理、化学、材料、生物、电子等诸多学科领域学者所共同关注的焦点。微结构材料及其器件已经成为二十一世纪初信息技术发展的主要方向之一。本论文从一维、二维硅微结构材料——多孔硅一维光子晶体和硅微通道入手,首先研究了HF溶液中多孔硅一维光子晶体的形成机制,同时深入地研究了该微结构材料的制备方法,并通过大量实验进行参数优化,从而得到目标多孔硅一维光子晶体的制备工艺条件,随后开展了阵列化岛状多孔硅一维光子晶体在非制冷红外探测器中的应用研究；另一方面,制备了具有较高深宽比的硅微通道结构材料,并开展了它在超级电容器、直接甲醇燃料电池和生物传感器等方面的研究工作,成功制备了基于硅微通道负载金属镍(Ni/Si-MCP)、负载氧化镍(NiO/Si-MCP)和负载金属镍-钯(Ni-Pd/Si-MCP)的纳米复合电极,进一步研究了NiO/Si-MCP电极材料的电容特性,Ni/Si-MCP和Ni-Pd/Si-MCP两种复合材料电极对甲醇和葡萄糖的电催化氧化性能。实验和理论研究结果表明：阵列化岛状多孔硅一维光子晶体的制备方法及其在非制冷红外探测领域应用有一定创新和实用价值；硅微通道负载金属镍-钯复合电极的制备及其在直接甲醇燃料电池中的应用创新更具特色,对发展新型直接甲醇燃料电池一体化电极意义重大。总之,硅微结构材料在红外探测器、超级电容器、直接醇类燃料电池、生物传感器及生物燃料电池等领域均有着巨大的潜在应用价值。本论文主要研究内容和成果包括：本部分主要对多孔硅一维光子晶体的形成原理及相关理论基础进行了深入探讨,并在此基础上结合MATLAB软件对多孔硅一维光子晶体的工艺过程进行了参数模拟分析和讨论,为成功制备不同禁带中心波段的多孔硅一维光子晶体提供了理论支持。在此部分我们首先采用传输矩阵法并利用MATLAB软件对中心波段分别位于5μm、6μm、7μm、10μm的多孔硅一维光子晶体结构进行理论模拟分析和设计；其次在EC-LABII(自制电化学实验平台)上采用ADLink2501数据卡和Labview软件对实验过程进行实时控制,调控样品制作过程中的最佳运行参数,制备目标样品；然后通过SEM和FTIR等测量技术对其氧化前后的的形貌及光学性能进行检测分析,结果发现氧化后出现禁带中心蓝移现象；最后讨论了其红外频谱宽角度反射器实现的可行性。为了更好地符合实际器件制作需求,我们结合上述各波段非阵列化光子晶体的制作过程参数及实验中氧化工艺影响,通过调整理论模拟及实验程控参数成功制备了中心波段位于12μm的阵列化岛状多孔硅一维光子晶体,为构建高灵敏度的非制冷红外探测器提供了有益的基础性工作。本部分阐述了如何结合传统微电子加工工艺与电化学腐蚀技术来制备硅微通道的方法,其中主要包括氧化、光刻、KOH溶液中倒金字塔诱导坑的刻蚀、HF溶液中低温程控刻蚀等工艺步骤,以及一些自制高深宽比硅微通道刻蚀设备结构特点和使用方法等。最后对制备样品进行测试和表征,结果显示用该方法可制备出开口为5μm×5μm,深度最高可达250μm,且形貌均一,结构完整的硅微通道结构。此外,探索了在硅微通道板上进行无磷化学镀Ni薄膜的工艺过程,并进一步研究了以NiO/Si-MCP纳米复合材料为电极材料制备新型超级电容器的可行性。本部分首先研究了直接甲醇燃料电池的现状和目前阳极催化剂所存在的最主要的问题,然后对制备好的硅微通道进行修饰改性,采用化学镀技术,在其表面和内壁上沉积了镍和镍-钯镀层,并对两种复合镀层材料进行表征后制备成电极,以检测其在碱性溶液中两种结构对甲醇的催化氧化性能。实验结果显示：Ni/Si-MCP纳米复合电极对甲醇存在敏感特性,但催化氧化活化电位较高；而Ni-Pd/Si-MCP纳米复合电极可以更容易和更好地催化氧化甲醇,并能极大降低甲醇氧化活化能；说明硅微通道是一个非常好的催化剂载体,它使催化剂分布得更加均匀且可提供较大的催化反应比表面积,较规则的通道也有利于溶液的流通。同时,一系列实验测试预示Ni-Pd/Si-MCP复合材料电极在直接甲醇燃料电池领域有极广泛的应用前景,为醇类生物燃料电池一体化催化电极的进一步研究提供了良好的平台。另一方面,本部分还进行了Ni/Si-MCP与Ni-Pd/Si-MCP复合材料电极对葡萄糖催化氧化的性能实验研究,结果显示两种复合材料电极都会对葡萄糖浓度敏感,但是Ni-Pd/Si-MCP复合材料电极对葡萄糖敏感度更高,其灵敏度可达81.4μAmM-1,检测限可达5μM。显示了Ni-Pd/Si-MCP复合材料电极在构建葡萄糖燃料电池和葡萄糖传感器方面有巨大潜力。综上所述,本文主要成果有：首先,制备了一种应用于红外热释电探测器衬底结构的既可绝热又可对特定波段红外光有较好反射效果的阵列化岛状多孔硅一维光子晶体结构,为构建高性能的硅基红外探测器衬底提供了可行方案；其次,发展了一种以硅微通道(Si-MCP)阵列为支撑结构的非贵金属电催化电极材料(Ni-Pd/Si-MCP),其催化剂分散良好,利用效率高；第三,研究了基于Ni-Pd/Si-MCP一体化催化电极对甲醇的催化氧化性能,研究结果表明该电极作为直接甲醇燃料电池(DMFC)的阳极材料对甲醇有良好的催化氧化能力,可实现较负的开启电位和较大的催化电流密度,在构建新型DMFC方面有巨大应用潜力；最后,讨论了Ni-Pd/Si-MCP复合材料电极在新能源以及生物传感器方面的应用。总之,该课题的研究方法及成果一方面对构建高效红外热释电探测器提供了新的可行方案,另一方面对发展低成本、可集成、一体化新型直接甲醇燃料电池或新型可集成生物传感器系统具有重要意义,为微纳技术在绿色能源和新型传感器器件应用领域研究提供了丰富素材,具有一定科研价值,其成果的进一步发展必将产生巨大的社会和经济效益。【关键词】：多孔硅一维光子晶体阵列非制冷红外热释电传感器硅微通道电化学超级电容器直接甲醇燃料电池葡萄糖传感器【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TN304【目录】：摘要6-9Abstract9-20第一章绪论20-441.1微电子机械系统及硅微加工技术20-241.1.1MEMS技术概述20-211.1.2基于MEMS的硅微加工技术概述21-231.1.3MEMS技术研究进展23-241.2硅微结构材料制备24-321.2.1硅微结构材料的研究历史与发展趋势24-251.2.2硅微结构材料的形成机理25-291.2.3几种主要刻蚀技术29-311.2.4硅微结构材料制备的其它方法31-321.3硅微结构材料的表面修饰改性32-351.3.1硅微结构材料表面化学修饰改性的目的321.3.2硅微结构材料的修饰改性方法32-351.4硅微结构材料的应用351.5本文拟展开的研究方案及可行性分析35-37参考文献37-44第二章硅微结构材料-一维光子晶体制备44-742.1一维多孔硅微结构材料-多孔硅光子晶体概述44-502.1.1光子晶体简介44-472.1.2光子晶体研究现状47-482.1.3光子晶体的应用48-502.1.4基于多孔硅一维光子晶体简介502.2多孔硅一维光子晶体的原理及相关理论基础50-542.2.1光子晶体的基本原理50-512.2.2光子晶体的麦克斯韦方程51-522.2.3光子晶体的理论研究方法52-532.2.4多孔硅一维光子晶体模型53-542.3多孔硅一维光子晶体的设计54-572.3.1多孔硅一维光子晶体折射率的计算54-562.3.2基于MATLAB的多孔硅一维光子晶体设计56-572.4多孔氧化硅一维光子晶体的制备及表征57-682.4.1多孔硅一维光子晶体的实验设备57-602.4.2多孔氧化硅一维光子晶体制备工艺参数的处理60-642.4.3多孔氧化硅一维光子晶体的制备工艺流程64-662.4.4多孔硅一维光子晶体的实验结果与分析66-682.5本章小结68-69参考文献69-74第三章部分氧化多孔硅一维光子晶体在红外探测器中的应用74-863.1红外热释电探测器概述74-763.2远红外波段多孔硅一维光子晶体阵列的制备76-793.2.1研究意义763.2.2远红外波段一维光子晶体的实现76-783.2.3远红外波段岛状多孔硅一维光子晶体阵列的制备78-793.3远红外波段岛状多孔硅一维光子晶体阵列的表征79-823.4本章小结82-84参考文献84-86第四章二维硅微结构材料-硅微通道的制备、修饰及潜在应用86-1104.1硅微通道概述86-874.2硅微通道制备87-984.2.1实验仪器与设备87-904.2.2硅片及刻蚀溶液参数904.2.3制备高深宽比自分离硅微通道材料的具体工艺流程及工艺参数90-964.2.4高深宽比自分离硅微通道表征96-984.3硅微通道表面及侧壁化学无磷镀镍工艺98-1014.3.1化学无磷镀镍的原理984.3.2硅微通道的预处理984.3.3无磷镀镍的工艺方法98-994.3.4分组实验99-1004.3.5结果与分析100-1014.4NiO/Si-MCP超级电容器特性研究101-1054.5本章小结105-107参考文献107-110第五章硅微通道在燃料电池中的应用110-1365.1燃料电池概述110-1145.1.1燃料电池的发展历史110-1115.1.2燃料电池的分类111-1125.1.3燃料电池的特点及优势1125.1.4直接甲醇燃料电池(DMFC)研究现状112-1145.2碱性膜直接甲醇燃料电池概述114-1185.2.1碱性膜直接甲醇燃料电池的工作原理115-1165.2.2甲醇阳极氧化116-1175.2.3氧气阴极还原117-1185.3硅微通道表面及侧壁化学修饰镍-钯复合材料的制备及表征118-1195.3.1镍-钯/硅微通道复合材料制备方法1185.3.2镍-钯/硅微通道复合材料表征118-1195.4Ni/Si-MCP及Ni-Pd/Si-MCP复合材料催化电极的制备119-1205.4.1制备Ni/Si-MCP复合材料电极119-1205.4.2制备Ni-Pd/Si-MCPMCP复合材料电极1205.5Ni/Si-MCP及Ni-Pd/Si-MCP纳米复合材料催化电极应用研究120-1265.5.1实验化学试剂1205.5.2电极的电化学性能测试体系120-1215.5.3Ni/Si-MCP及Ni-Pd/Si-MCP复合材料催化电极对甲醇电催化氧化121-1265.6Ni-Pd/Si-MCP纳米复合电极催化氧化甲醇的性能影响因素126-1295.6.1不同KOH的浓度下对比126-1275.6.2不同甲醇浓度变化的对比1275.6.3正向扫描电压窗口的影响127-1285.6.4温度变化的对比128-1295.7本章小结129-130参考文献130-136第六章硅微通道化学修饰电极葡萄糖敏感特性研究136-1466.1糖类概述1366.2葡萄糖生物燃料电池及生物传感器136-1376.3Ni/Si-MCP和Ni-Pd/Si-MCP纳米复合电极对葡萄糖的电催化氧化137-1396.3.1Ni/Si-MCP复合材料电极对葡萄糖的敏感性测定137-1386.3.2Ni-Pd/Si-MCP复合材料电极催化氧化葡萄糖的电化学测试138-1396.4恒电位计时电流技术检测葡萄糖浓度139-1406.5本章小结140-141参考文献141-146第七章结论与展望146-148附录1148-154附录2154-156作者在攻读博士学位期间的主要工作156-158致谢158-159本论文购买请联系页眉网站。