多孔硅纳米材料的3D表面处理、光学性能及其应用研究
发布时间：2021-01-18 06:05
多孔硅是一种比表面积大,微观结构可调,吸附性强,具有良好生物相容性及光学性能的纳米结构材料,可广泛应用于显示器、光学传感器和生物成像等领域。然而,新刻蚀的多孔硅表面存在大量具有强反应活性的硅氢基团,易与空气中的水和氧气发生反应,从而影响多孔硅的光学性能及稳定性,削弱其在应用中的适用性。本文通过光催化法在n型多孔硅表面生成Si-C键,以及氧化法在高掺杂p型多孔硅表面生成Si-O-Si键的方式,提升了不同掺杂类型多孔硅表面的稳定性并研究了修饰反应过程中的影响因素,此外,本文还制备了一种负载T8型巯基聚倍半硅氧烷（SH-POSS）的多孔硅片并研究了其对铜离子(Cu2+)的光学传感性能。主要研究工作如下:1、以甲基丙烯酸十二氟庚酯为功能性基团,通过光催化反应,将其修饰在新制备的n型多孔硅表面,制备了一种具有高稳定性、超疏水表面的氟修饰多孔硅。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、元素分析（SEM-EDS）、X射线光子能谱分析（XPS）等手段分析了多孔硅改性前后的结构和组成,通过研究多孔硅表面水接触角（WCA）和荧光光谱（PL）考察了 UV光照、反...
【文章来源】：杭州师范大学浙江省
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
重量法计算多孔硅孔隙率的示意图
杭州师范大学硕士学位论文绪论6图1-2常用a)单槽和b)双槽电化学刻蚀法实验制备装置示意图Fig.1-2Schematicdiagramofa)single-cellandb)double-cellelectrochemicaletchingdevice为了改善多孔硅的光致发光性能，提升多孔硅的制备效率，近些年来，在电化学刻蚀法的基础上又研究了新的辅助方式，如光照辅助[34]、磁场辅助以及脉冲辅助。光照辅助主要用于n型单晶硅片的刻蚀，由于n型单晶硅片内部只有少量的电荷流子，所以在刻蚀过程中需要对硅片进行额外光照以产生更多的电荷空穴[35]。磁场辅助是将整个反应装置放在外磁场中，研究表明随着磁场强度的增加，多孔硅的光致发光强度也随之增强。脉冲辅助[36]是采用脉冲电流对单晶硅片进行刻蚀，所制备的多孔硅的结构随脉冲电流的改变而改变，为多孔硅结构的多样性提供了新的思路。1.2.3多孔硅的形成机理从1956年Uhlirs[37]对硅晶片进行化学抛光时发现多孔硅以来，多孔硅的形成机制就一直备受科学家的关注。到目前为止，被研究者公认的形成机制主要有四种不同的模型：载流子扩散限制模型、Beale耗尽模型、量子力学模型和统一模型。1.2.3.1载流子扩散限制模型1983年Witten[38]首次提出了扩散限制模型，在20世纪80年代，Smith[39]等人用此模型成功解释了多孔硅的生长形成机制。Smith认为多孔硅孔洞的生长是因为空穴从单晶硅向孔尖端随机扩散的过程中硅表面原子发生了氧化，空穴扩散轨迹会随着基底掺杂浓度和刻蚀电流密度的变化而改变，这会造成在扩散过程中空穴具有不同的扩散长度和步长大小，从而形成不同结构的多孔硅。此外，
杭州师范大学硕士学位论文绪论11量子限制模型由Canham[8]提出，Canham认为多孔硅内硅量子线的存在是引起多孔硅光致发光的基矗多孔硅结构中较高的孔隙率可以导致硅内能带的分裂，使得多孔硅的发光范围由硅可以发出的红外光向可见光区范围移动，量子效应的作用可以使得多孔硅的光致发光强度与孔隙率有关。量子效应模型表明，多孔硅的光致发光强度可随多孔硅内量子线尺寸的减小而增大，发光位置则随多孔硅内量子线尺寸的减小而蓝移，这与刻蚀过程中在一定范围内随着氧化反应时间的增加，多孔硅光致发光强度增加，发光位置出现蓝移的结果相一致。但是多孔硅内量子线尺寸也不是影响多孔硅光致发光强度的唯一因素，研究表明，同种条件制备的多孔硅在不同环境中发光波长也并不相同，所以在此之后考虑到多孔硅自身的表面效应，研究人员也在量子限制模型的基础上加以改进，提出了量子盒模型和球聚集模型。（2）表面态模型表面态模型是由Koch[45]在1993年提出，他认为多孔硅光致发光的性质与多孔硅表面吸附的物质和表面态有关。在刻蚀过程中，硅内电子和空穴迁移至硅基底表面缺陷和能带后，其所引发的复合辐射发光过程可以分为三种，如图1-5所示。E2为空穴与束缚电子之间能态的发光能量，E1为空穴与电子复合中的中间表面态的发光能量，E0为空穴与电子直接复合的发光能量，其中E2<E1<E0，Koch还提出这些表面态的复合发光是来自于多孔硅中的缺陷、杂质、弛像等结构。图1-5表面态模型的发光过程Fig.1-5Luminescenceprocessofsurface-statemodel（3）特殊发光物质发光模型
本文编号：2984424
【文章来源】：杭州师范大学浙江省
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
重量法计算多孔硅孔隙率的示意图
杭州师范大学硕士学位论文绪论6图1-2常用a)单槽和b)双槽电化学刻蚀法实验制备装置示意图Fig.1-2Schematicdiagramofa)single-cellandb)double-cellelectrochemicaletchingdevice为了改善多孔硅的光致发光性能，提升多孔硅的制备效率，近些年来，在电化学刻蚀法的基础上又研究了新的辅助方式，如光照辅助[34]、磁场辅助以及脉冲辅助。光照辅助主要用于n型单晶硅片的刻蚀，由于n型单晶硅片内部只有少量的电荷流子，所以在刻蚀过程中需要对硅片进行额外光照以产生更多的电荷空穴[35]。磁场辅助是将整个反应装置放在外磁场中，研究表明随着磁场强度的增加，多孔硅的光致发光强度也随之增强。脉冲辅助[36]是采用脉冲电流对单晶硅片进行刻蚀，所制备的多孔硅的结构随脉冲电流的改变而改变，为多孔硅结构的多样性提供了新的思路。1.2.3多孔硅的形成机理从1956年Uhlirs[37]对硅晶片进行化学抛光时发现多孔硅以来，多孔硅的形成机制就一直备受科学家的关注。到目前为止，被研究者公认的形成机制主要有四种不同的模型：载流子扩散限制模型、Beale耗尽模型、量子力学模型和统一模型。1.2.3.1载流子扩散限制模型1983年Witten[38]首次提出了扩散限制模型，在20世纪80年代，Smith[39]等人用此模型成功解释了多孔硅的生长形成机制。Smith认为多孔硅孔洞的生长是因为空穴从单晶硅向孔尖端随机扩散的过程中硅表面原子发生了氧化，空穴扩散轨迹会随着基底掺杂浓度和刻蚀电流密度的变化而改变，这会造成在扩散过程中空穴具有不同的扩散长度和步长大小，从而形成不同结构的多孔硅。此外，
杭州师范大学硕士学位论文绪论11量子限制模型由Canham[8]提出，Canham认为多孔硅内硅量子线的存在是引起多孔硅光致发光的基矗多孔硅结构中较高的孔隙率可以导致硅内能带的分裂，使得多孔硅的发光范围由硅可以发出的红外光向可见光区范围移动，量子效应的作用可以使得多孔硅的光致发光强度与孔隙率有关。量子效应模型表明，多孔硅的光致发光强度可随多孔硅内量子线尺寸的减小而增大，发光位置则随多孔硅内量子线尺寸的减小而蓝移，这与刻蚀过程中在一定范围内随着氧化反应时间的增加，多孔硅光致发光强度增加，发光位置出现蓝移的结果相一致。但是多孔硅内量子线尺寸也不是影响多孔硅光致发光强度的唯一因素，研究表明，同种条件制备的多孔硅在不同环境中发光波长也并不相同，所以在此之后考虑到多孔硅自身的表面效应，研究人员也在量子限制模型的基础上加以改进，提出了量子盒模型和球聚集模型。（2）表面态模型表面态模型是由Koch[45]在1993年提出，他认为多孔硅光致发光的性质与多孔硅表面吸附的物质和表面态有关。在刻蚀过程中，硅内电子和空穴迁移至硅基底表面缺陷和能带后，其所引发的复合辐射发光过程可以分为三种，如图1-5所示。E2为空穴与束缚电子之间能态的发光能量，E1为空穴与电子复合中的中间表面态的发光能量，E0为空穴与电子直接复合的发光能量，其中E2<E1<E0，Koch还提出这些表面态的复合发光是来自于多孔硅中的缺陷、杂质、弛像等结构。图1-5表面态模型的发光过程Fig.1-5Luminescenceprocessofsurface-statemodel（3）特殊发光物质发光模型
本文编号：2984424
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