织构硅衬底上TiOXN1-X电极薄膜的制备与性能研究

作     者：李屹然 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周大雨

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：湿法刻蚀 织构硅衬底 磁控溅射 氮氧化钛电极薄膜 电化学性能 

摘      要：随着物联网技术的不断发展,万物互联、智慧城市等从远景期待逐渐成为深刻影响我们日常生活的现实。无线物联网传感器对物联网技术的应用至关重要。为保证无线传感器系统能长期稳定运行,对能量供给单元提出了更高的要求。通常情况下储能元件需满足高能量密度、高功率密度和微小型化等性能和尺寸的要求。同时,其制备工艺应与现代微电子和微机电系统(MEMs)中的薄膜沉积、图形化加工以及封装等技术兼容。微型超级电容器因其兼具高能量密度、快速频率响应、长循环寿命等特点,可与锂离子电池配合使用以满足多种应用场景。目前,多数片上微型超级电容器存在电极制备工艺与半导体工艺不兼容和能量密度较低等问题。因此,开展超级电容器电极制备工艺和能量密度提升的研究具有重要意义。本文首先采用化学湿法刻蚀单晶硅衬底,探讨三种刻蚀液和三种取向衬底对硅衬底表面织构的影响,采用直流反应磁控溅射法在织构硅衬底上制备TiON电极薄膜,分析织构变化对电极薄膜性能的影响规律,确定了最优刻蚀液和最优取向衬底。随后在该工艺条件下,分别探究了刻蚀温度和刻蚀时间对表面织构的影响规律。研究不同刻蚀工艺下的织构硅衬底对电极薄膜电学和电化学性能的影响,并由此确定了最优刻蚀工艺。本文的主要研究成果如下:首先采用化学湿法刻蚀技术制备绒面硅,分析硅衬底的刻蚀行为变化,随后在绒面硅上镀膜,探究电极薄膜比电容的变化规律,并确定最优刻蚀液为KOH刻蚀液、最优衬底为n型(100)取向单晶硅。使用最优刻蚀液和衬底制备绒面硅,通过优化刻蚀参数以获得良好织构表面,随后采用直流反应磁控溅射法在硅衬底上制备氮氧化钛(TiON)薄膜电极,探究薄膜电学及电化学的变化规律,并确定最优刻蚀参数。结果表明,刻蚀温度80℃、刻蚀时间15 min时,织构衬底呈现出大量随机金字塔形貌,且织构衬底的比表面积大幅提高,最大为对照衬底的1.8倍。电化学及电学测试中,电极比电容值最高为11.85 m F·cm,电阻率最低为46.0mW·cm。粗糙电极b值平均值约为0.87,说明电极电荷储存是由容性和/或赝电容过程决定。循环性能测试显示,3500次循环后电极薄膜的电容保持率为77%。最后计算了电极薄膜的能量密度和功率密度,最大能量密度、功率密度分别为0.256μWh cm和65.13μW cm。综上,确定最优刻蚀参数为:刻蚀温度80℃、刻蚀时间15 min。