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镍/硅纳米线复合材料制备及应用研究

作　者: 陶佰睿
导　师: 张健
学　校: 华东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 镍/硅纳米线 无电镀 微传感器 湿度传感器 电化学传感器 电化学电容器 热电转换器件
分类号: TB333
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


在最近的几十年里,低维纳米结构材料的制备、表征和应用已经引起人们极大关注,而硅基纳米结构材料更是因为具有与传统集成电路工艺的兼容性以及相比体硅材料所显现出奇异的物理和化学特性,成为制备微纳电子器件最理想的材料之一,是当前纳米技术领域的研究热点问题。本文以未来“可集成微电源的多维一体化微纳传感器片上系统”为假定目标,开展了如下几个方面的研究工作：第一,开展有关金属诱导化学湿法硅纳米线(Silicon Nano Wires, SiNWs)阵列制备和SiNWs表面无电镀镍(nickel, Ni)修饰机理的理论与实验研究,并对制备的SiNWs和Ni/SiNWs样品进行扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、X射线能谱(Energydispersive spectroscopy, EDS)、RCL数字电桥(Resistance R, Capacitance C, Inductance L, RCL Didital Bridge)和拉曼光谱(Raman spectroscopy)表征,其结果对未来低成本、图形化SiNWs制备和表面修饰工艺的改进有一定指导意义,也为硅基SiNWs的实践应用作了必要准备。第二,开展Ni/SiNWs纳米复合结构材料电容型湿度传感器应用研究：在基于LabView虚拟仪器构建的金属盐饱和溶液标准湿度检测系统上,对所制备的湿度传感器样机性能进行测试,结果表明该样机在11.3%—97.3%相对湿度环境中最快响应和恢复时间分别是39 s和24 s,湿敏电容灵敏度高达～0.207 nF／1%RH,线性相关系数R=0.94,长时稳定性好。第三,开展基于Pd-Ni／SiNWs阵列催化电极的电化学乙醇传感器应用研究：通过在SiNWs表面进行无电镀Pd-Ni金属薄膜的修饰改性,Pd-Ni／SiNWs阵列显现出对乙醇的高度敏感性。把Pd-Ni／SiNWs阵列组装成电流型电化学乙醇传感器样机后,在1 M KOH溶液中,该样机对乙醇浓度的敏感性于循环伏安(cyclic voltammetry, CV)测试技术下显示出7.48 mA mM-1 cm-2的灵敏度、线性检测范围0-20.4 mM、线性相关系数R=0.98、检测限可达6μM(3倍信噪比)；于-0.25 V(Ag／AgCl参比电极)恒电位计时电流测试技术下的灵敏度达到0.76mA mM-1 cm-2,线性检测范围0-20.4 mM、线性相关系数R=0.97、检测限可达10μM(3倍信噪比)第四,开展基于NiO／SiNWs阵列电极电化学电容器应用研究：通过在不同温度下对所制备的Ni／SiNWs阵列于氧气氛下采用直接快速热退火氧化工艺制备NiO／SiNWs阵列电极,其中400℃环境下制备的NiO／SiNWs阵列电极于2 MKOH溶液中显现出良好电化学电容特性,其质量比电容可达681 F g-1,能量密度可达85 kJ kg-1,72 h循环充放电后电容量损失不超过3%,有较好的循环使用寿命。第五,开展Ni／SiNWs阵列热电功率器件应用研究：首先选用重掺杂Sb的<100>晶向n型硅晶片制备SiNWs阵列,然后通过无电镀Ni薄层制备Ni／SiNWs阵列热电功率器件样机。测试结果显示该样机同时具有热光电和热电转换能力,300 K下,该Ni／SiNWs-Sb阵列Seebeck系数实测值为-273μV K-1,200 K温差下其热电输出功率密度可达7 mW cm-2,理论估算的ZT值介于0.08和0.2之间；同时,该阵列在130 mm透镜积聚太阳光下的热光电输出功率可达18 mW。总之,该课题的研究方法及成果对发展低成本、可集成微电源的一体化微纳片上传感器系统具有重要意义,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。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-17
第一章 绪论  17-39
  1.1 课题背景  17
  1.2 纳米技术概述  17-18
  1.3 纳米材料基本特性  18-20
  1.4 硅基纳米线制备及应用文献回顾  20-28
    1.4.1 硅基纳米线制备技术  20-24
    1.4.2 硅基纳米线修饰改性  24-26
    1.4.3 硅基纳米线应用文献回顾  26-27
    1.4.4 硅基纳米线制备及应用中存在的问题  27-28
  1.5 本文主要研究内容及意义  28-30
  参考文献  30-39
第二章 Ni/SiNWs阵列制备及其表征  39-61
  2.1 SiNWs阵列制备  39-44
    2.1.1 SiNWs阵列化学湿法刻蚀原理  39-43
    2.1.2 SiNWs阵列制备方法与步骤  43-44
  2.2 SiNWs阵列表征  44-48
  2.3 Ni/SiNWs阵列制备及其表征  48-54
    2.3.1 Ni/SiNWs阵列制备  48-49
    2.3.2 Ni/SiNWs阵列表征  49-53
    2.3.3 SiNWs表面无电镀Ni原理  53-54
  2.4 本章小结  54-55
  参考文献  55-61
第三章 Ni/SiNWs湿度传感器应用研究  61-87
  3.1 湿度传感器概述  61-68
    3.1.1 Ni/SiNWs电容式湿度传感器模型  62-64
    3.1.2 Ni/SiNWs阵列湿度敏感机理  64-68
  3.2 基于LabView的湿度检测系统  68-73
    3.2.1 标准湿度环境建立  68-69
    3.2.2 信号变换电路  69-71
    3.2.3 数据采集系统  71
    3.2.4 基于LabView的湿度检测系统软件设计  71-73
  3.3 Ni/SiNWs复合电极制备  73-75
    3.3.1 Ni/SiNWs阵列电极湿度敏感材料制备  73
    3.3.2 Ni/SiNWs阵列电极湿度敏感材料表征  73-75
  3.4 Ni/SiNWs阵列湿度传感器性能测试  75-81
    3.4.1 Ni/SiNWs阵列湿度传感器灵敏度和线性  76-77
    3.4.2 重复性和湿滞  77-79
    3.4.3 响应时间和稳定性  79-81
  3.5 讨论  81-82
  3.6 本章小结  82-83
  参考文献  83-87
第四章 Pd-Ni/SiNWs乙醇传感器应用研究  87-123
  4.1 乙醇传感器概述  87-93
    4.1.1 乙醇传感器综述  87-89
    4.1.2 电化学乙醇传感器工作原理  89-92
    4.1.3 电化学乙醇传感器催化电极设计考虑  92-93
  4.2 钯-镍/硅纳米线复合电极制备与表征  93-99
    4.2.1 钯-镍/硅纳米线复合电极制备  93-94
    4.2.2 钯-镍/硅纳米线复合电极表征  94-99
  4.3 钯-镍/硅纳-米线复合电极对乙醇敏感性  99-107
    4.3.1 乙醇敏感性测试系统  99-100
    4.3.2 乙醇敏感性电化学分析  100-107
  4.4 钯-镍/硅纳米线复合电极乙醇传感器  107-113
    4.4.1 电化学窗口的选择  108-109
    4.4.2 电极电化学稳定性测试  109-110
    4.4.3 传感器灵敏度测试  110-112
    4.4.4 传感器性能比较  112-113
  4.5 本章小节  113-116
  参考文献  116-123
第五章 NiO/SiNWs阵列电化学电容器应用研究  123-151
  5.1 电化学电容器概述  123-127
    5.1.1 电化学电容器工作原理  124-125
    5.1.2 电化学电容器特点及用途  125
    5.1.3 电化学电容器电极材料研究现状  125-126
    5.1.4 纳米NiO电极制备方法  126-127
  5.2 NiO/SiNWs纳米复合电极制备与表征  127-132
    5.2.1 NiO/SiNWs纳米复合物电极制备  127-128
    5.2.2 NiO/SiNWs纳米复合物电极表征  128-132
  5.3 NiO/SiNWs纳米复合电极电化学性能表征  132-139
    5.3.1 NiO/SiNWs纳米复合物电极电化学电容行为  132-137
    5.3.2 NiO/SiNWs纳米复合物电极恒电流充放电分析  137-139
  5.4 NiO/SiNWs纳米复合物电极电化学阻抗谱  139-141
  5.5 本章小结  141-143
  参考文献  143-151
第六章 Ni/SiNWs阵列热电功率器件应用研究  151-185
  6.1 热电器件概述  151-161
    6.1.1 热电效应  151-153
    6.1.2 热电器件研究进展  153-155
    6.1.3 SiNWs热电光电转换应用调研  155-159
    6.1.4 热电材料性能指标  159-160
    6.1.5 基于Ni/SiNWs热电材料考虑  160-161
  6.2 Ni/SiNWs热电材料制备与表征  161-169
    6.2.1 Ni/SiNWs-Sb热电材料表征  162-166
    6.2.2 Ni/SiNWs-Sb阵列热电器件模型及测试  166-169
  6.3 Ni/SiNWs-Sb阵列热电原理模型及性能分析  169-173
    6.3.1 Ni/SiNWs-Sb热电原理模型  169-170
    6.3.2 Ni/SiNWs-Sb热电原理分析  170-173
  6.4 本章小结  173-175
  参考文献  175-185
第七章 结论与展望  185-187
附录1  187-189
作者在攻读博士学位期间的主要工作  189-191
致谢  191

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属－非金属复合材料
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