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基于多孔硅的三维PN结结构探索

基于多孔硅的三维PN结结构探索

作者：刘婷婷华东师范大学

学位级别：硕士

本文论述了基于多孔硅的三维PN结结构的形成及在核电池和X射线探测器中的应用,同时研究了此三维PN结结构的制备工艺,特别地讨论了电化学刻蚀技术形成多孔结构的工作原理,并且进行了采用SiO掩膜和SiN掩膜制备三维PN结结构的实验探索。 ... 详细信息

本文论述了基于多孔硅的三维PN结结构的形成及在核电池和X射线探测器中的应用,同时研究了此三维PN结结构的制备工艺,特别地讨论了电化学刻蚀技术形成多孔结构的工作原理,并且进行了采用SiO掩膜和SiN掩膜制备三维PN结结构的实验探索。第一章首先介绍了基于多孔硅的三维PN结结构的形成、应用、研究现状以及本文工作。第二章介绍了三维PN结的制备工艺,并且重点介绍了电化学刻蚀多孔硅的工作原理及其影响因素。第三章讨论了采用SiO掩膜的p-型半导体硅上制作宏多孔硅结构,再进行扩散制得三维PN结,探索其I-V、C-V电学性能,并且进行了孔距、孔深影响的模拟,特别是着重分析孔距(侧壁厚度)的影响。实验发现,当侧壁厚度薄到两侧的扩散层接近会聚时,孔深的提高对有效结面积影响不大。第四章详细讨论了采用低应力SiN掩膜的p-型硅上制作宏多孔硅,再进行扩散制得三维PN结。此实验重点是扩大侧壁厚度,以提高三维PN结的有效结面积。实验发现,采用抗蚀性强的低应力SiN掩膜并没有能够扩大侧壁厚度,这说明湿法刻蚀可能无法实现扩大侧壁厚度。为了解决这一问题,我们将采用深反应离子刻蚀的干法刻蚀来制作宏多孔硅,此工作还在进行中。第五章全文进行总结,并对基于三维PN结结构的能量转换芯片进行了展望。

关键词：三维PN结核电池 X射线探测器电化学刻蚀深反应离子刻蚀宏多孔硅

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多孔GaN纳米材料电化学的制备与表征

多孔GaN纳米材料电化学的制备与表征

作者：张桐鹤长春理工大学

学位级别：硕士

氮化镓(GaN)半导体材料作为第三代半导体的代表,其体现出来比重小、比强度突出、能量吸收理想等积极优势,已成为全球半导体科研方面的热点问题,引起了众多人员的充分关注。现阶段,在多孔GaN材料的工业化制备中,最常用的技术为干法刻蚀(I... 详细信息

氮化镓(GaN)半导体材料作为第三代半导体的代表,其体现出来比重小、比强度突出、能量吸收理想等积极优势,已成为全球半导体科研方面的热点问题,引起了众多人员的充分关注。现阶段,在多孔GaN材料的工业化制备中,最常用的技术为干法刻蚀(ICP),其最大优势为能够借助整齐规律的掩膜制作得到排序工整、孔径外观大体一致的纳米多孔结构。但这种技术不仅选择性低、成本昂贵,并且由于热损伤和等离子还会损伤GaN材料而影响器件特性。作为湿法刻蚀的代表之一,电化学刻蚀技术可以较好的解决这些问题。目前,发展电化学刻蚀已经成为一种流行趋势。但当下这种方法来制备多孔GaN纳米材料的研究仍旧处于试验阶段,由于电化学刻蚀中各参数的影响仍没有被充分了解,孔的刻蚀情况非常复杂,尤其电解液对于刻蚀得到孔的影响研究较少,电化学的刻蚀机理也在探索之中。针对于此,本文以电化学刻蚀多孔GaN材料作为主线,做了如下工作:1)自组装电化学刻蚀设备,采用Si材料代替GaN材料进行实验参数设计,并将实验结果与文献结论比较,以此验证自组装电化学刻蚀设备的可行性。2)研究刻蚀电压对多孔GaN材料形貌的影响,其中刻蚀电压变化范围为10V-25V,多孔GaN材料的平均孔径大小和孔洞率呈现逐渐增加趋势,多孔GaN材料的孔密度呈现先增加后下降趋势。随后利用能带模型,结合实验表征结果进行理论分析。3)重点研究电解液浓度对多孔GaN材料形貌的影响,电解液具体分为酸、碱、盐三类。当KOH电解液浓度为[20%,50%]时,多孔GaN材料的平均孔径大小和孔洞率呈现先增加后减小趋势,孔密度呈现先减小后逐渐增大的趋势;当HF电解液浓度为[10%,40%]时,多孔GaN材料平均孔径大小和孔洞率逐渐增大,孔密度呈现逐渐减小趋势;当NaCl电解液浓度为[10%,20%]时,GaN样品平均孔径大小和孔洞率均呈现出逐渐增大的趋势,孔密度则逐渐减小,且GaN样品的孔分布均匀且形状规律。最后着重通过动力学模型,推导得出刻蚀速率公式,结合实验表征结果进行理论分析。理论分析和实验结果均表明:在电化学刻蚀制备多孔GaN材料时,通过改变刻蚀电压和电解液浓度可以实现对孔尺寸、孔洞率、孔密度等孔形貌的控制。

关键词： GaN 电化学刻蚀形貌电解液刻蚀电压

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硅量子点的制备、表面修饰与性能

硅量子点的制备、表面修饰与性能

作者：彭飞中国海洋大学

学位级别：硕士

硅量子点由于其无毒、原材料丰富、发射波长可调及良好的生物相容性而成为荧光纳米晶中的佼佼者。在生物医药领域以及能源环境领域，纳米结构的半导体材料由于其特殊的性能引起了科研人员的关注[1]。硅纳米材料作为一种新型的半导体纳... 详细信息

硅量子点由于其无毒、原材料丰富、发射波长可调及良好的生物相容性而成为荧光纳米晶中的佼佼者。在生物医药领域以及能源环境领域，纳米结构的半导体材料由于其特殊的性能引起了科研人员的关注[1]。硅纳米材料作为一种新型的半导体纳米材料，由于其特殊的基于其粒径的光学性质、不同表面修饰下的不同亲疏水性和生物相容性等等特性，引起了科研人员对于其合成方法、表面修饰以及生物应用和光催化性能的兴趣[2-5]。本文讨论了我们对于硅量子点的制备，表面修饰以及性能所做的研究。分别从制备，表面修饰和性能应用这三个方面予以探讨。在硅量子点的制备方面，我们采用了还原硅烷法、高能球磨法以及电化学刻蚀法等三种不同的方法。通过对这三种制备方法的比较，探讨了这三种制备方法的优缺点。还原硅烷法具有制备出硅量子点粒径均匀，分散性好以及不易被氧化的优点;同时具有所采用的还原剂较为危险不宜大量制备，较难制备出全谱发光各个尺寸的硅纳米晶等缺点。高能球磨法具有能够大量制备和制备过程安全的优点;同时具有耗能较高，制备时间较长以及粒径控制较难的缺点。电化学刻蚀法具有可控粒径，方便迅速制备和制备出的硅量子点由于表面硅氢键的存在较易修饰功能分子的优点;同时具有制备过程需要使用剧毒物质氢氟酸以及粒径的均一性不如还原硅烷法等缺点。在对硅量子点进行表面修饰时，根据制备硅量子点的方法的不同，分为直接修饰和再修饰两种方法。在使用还原硅烷法制备硅量子点时，利用三氯硅烷引入需要修饰的官能团直接进行修饰;在使用球磨法制备硅量子点时，利用球磨过程中在硅片断面产生的硅自由基直接对形成的硅量子点表面进行加成修饰;在使用电化学刻蚀法制备硅量子点时，第一步先制备出表面带有硅氢键的硅量子点，然后再利用其硅氢表面进行加成修饰。对于硅量子点的性能应用，主要涉及到三个方面：利用硅量子点的荧光性能进行生物标记，利用硅量子点的光催化性能还原二氧化碳，以及利用硅量子点的还原性能制备新型复合纳米材料。在利用硅量子点进行生物标记成像的应用中，文章中利用电化学刻蚀法制备的表面修饰了十一烯醇的硅量子点对Hela细胞进行共聚焦成像，结果显示成像效果较好并且几乎没有毒性。在光催化方面的应用，则主要是利用球磨法制备的硅量子点进行了光催化还原二氧化碳的初步探索，结果显示球磨法制备的硅量子点能够将二氧化碳光催化还原得到甲醛。这是第一次使用球磨法制备的硅量子点进行光催化还原二氧化碳，具有一定的前沿性和新颖性。在合成新型复合纳米材料方面，则主要是利用电化学刻蚀法制备得到的具有硅氢表面的硅量子点做为还原剂，还原氯金酸制备得到硅金纳米复合材料。

关键词：硅量子点球磨还原硅烷电化学刻蚀表面修饰及性能

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硅微通道电化学腐蚀过程中的输运特性

硅微通道电化学腐蚀过程中的输运特性

作者：薛阳长春理工大学

学位级别：硕士

电化学刻蚀硅微通道技术已经被广泛关注,但是电化学刻蚀硅微通道过程中的输运特性却鲜有报道,然而硅片中载流子的输运,硅/HF界面电荷的输运以及溶液中物质的输运直接影响微通道结构的刻蚀结果。本论文从硅的基本性质出发,结合半导... 详细信息

电化学刻蚀硅微通道技术已经被广泛关注,但是电化学刻蚀硅微通道过程中的输运特性却鲜有报道,然而硅片中载流子的输运,硅/HF界面电荷的输运以及溶液中物质的输运直接影响微通道结构的刻蚀结果。本论文从硅的基本性质出发,结合半导体能带理论以及电荷传递理论阐述了电化学刻蚀硅微通道过程中的输运原理;以n-型（100）晶向单晶硅为研究对象,设计实验,找出硅片中载流子的最佳激发波长为850nm,以磷离子注入工艺制备的欧姆接触层能产生更多的光生空穴,有利于腐蚀进行;以微通道几何结构建立模型,模拟微通道尖端结构对载流子的收集情况,发现载流子在尖端聚集,侧壁被钝化保护,使通道沿尖端方向生长;讨论硅/HF界面电荷输运及迁移和扩散引起的物质输运,以及两种类型输运的临界情况,通过改变电压,溶液浓度等实验参数,分析不同工艺条件对输运特性的影响。

关键词：硅微通道阵列电化学刻蚀输运特性光生空穴临界电流密度

添加剂对电诱导GaN晶片化学机械抛光的影响

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润滑与密封 2020年第2期45卷 110-114页

作者：寇青明钮市伟王永光朱玉广谢雨君雷翔宇苏州大学机电工程学院

为研究添加剂对氮化镓(GaN)晶片化学机械抛光(CMP)材料去除率的影响,采用直流电源对n型GaN晶片进行电化学刻蚀,利用X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)研究电诱导辅助下GaN晶片CMP过程中,对苯二甲酸(PTA)和H 2O 2对其材料去除的... 详细信息

为研究添加剂对氮化镓(GaN)晶片化学机械抛光(CMP)材料去除率的影响,采用直流电源对n型GaN晶片进行电化学刻蚀,利用X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)研究电诱导辅助下GaN晶片CMP过程中,对苯二甲酸(PTA)和H 2O 2对其材料去除的影响。结果表明:在添加电流的条件下,随着H 2O 2体积分数增大,GaN材料去除率先升高后降低;随着PTA浓度的增加,GaN材料去除率先增加后减少;在H 2O 2体积分数为4%,PTA浓度为10 mmol/L条件下,GaN晶片的化学机械抛光材料去除率最高,为693.77 nm/h,抛光后GaN晶片表面粗糙度为0.674 nm;通过XPS分析,电诱导后GaN晶片表面的Ga 2O 3含量增加,表明电流作用促进了GaN材料表面的氧化腐蚀作用,进而提高了其CMP材料去除速率。

关键词： GaN 电化学刻蚀化学机械抛光(CMP) 表面粗糙度去除速率

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石墨烯超级电容器的性能研究与优化

石墨烯超级电容器的性能研究与优化

作者：张然北京交通大学

学位级别：硕士

石墨烯的高电导率和高比表面积的特性使其非常适合做超级电容器的电极,如何实现高质量石墨烯的量产是现今研究的热点。本文以改进的Hummers法制备氧化石墨,通过管式炉高温还原法制备石墨烯,并对所得产物进行XRD、SEM、TEM表征和BET比表... 详细信息

石墨烯的高电导率和高比表面积的特性使其非常适合做超级电容器的电极,如何实现高质量石墨烯的量产是现今研究的热点。本文以改进的Hummers法制备氧化石墨,通过管式炉高温还原法制备石墨烯,并对所得产物进行XRD、SEM、TEM表征和BET比表面积测试,测得石墨烯比表面积高达853m2/g。泡沫镍和铝箔是两种常用的集流体材料,铝箔相比于泡沫镍拥有更高的电导率,但是铝箔表面过于光滑不利于活性物质粘附,本文制备了基于石墨烯的双电层的超级电容器;并通过电化学方法对铝箔表面进行刻蚀来提升超级电容器性能。具体研究内容如下：(1)分别采用***/L和1.5mol/L的Na2SO4溶液做超级电容器的电解液,并对比两种超级电容器的电化学性能,结果证明1.0mol/L的Na2SO4溶液更适合做超级电容器电解液。(2)分别采用泡沫镍和铝箔做集流体制备超级电容器并测试两者的电化学性能,结果表明泡沫镍比未经刻蚀的铝光箔拥有更好的电化学性能,因此可以考虑对铝箔进行电化学刻蚀来提升铝箔超级电容器的电化学性能。(3)通过对铝箔进行电化学刻蚀,分析刻蚀溶液的浓度比、时间以及电流密度对电容性能的影响来找出相对优化的刻蚀工艺：在刻蚀条件为HCl、H2SO4浓度比为3：1,刻蚀电流密度为70mA/cm2,刻蚀时间为140s时所得到的铝箔具备最佳的电容性能。

关键词：超级电容器石墨烯铝箔电化学刻蚀

Zr-Cu-Al-Fe系非晶合金极端润湿性表面的制备及其性能研究

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Zr-Cu-Al-Fe系非晶合金极端润湿性表面的制备及其性能研究

作者：刘锋烟台大学

学位级别：硕士

常见的超亲水、超疏水、超亲油和超疏油等极端润湿性表面在自清洁、流体减阻、防结冰、流体运输以及油水分离等领域拥有着巨大的应用价值。Zr基非晶合金具有高屈服强度、高硬度、高断裂韧性、良好的耐疲劳性能以及高耐蚀性等综合优点,... 详细信息

常见的超亲水、超疏水、超亲油和超疏油等极端润湿性表面在自清洁、流体减阻、防结冰、流体运输以及油水分离等领域拥有着巨大的应用价值。Zr基非晶合金具有高屈服强度、高硬度、高断裂韧性、良好的耐疲劳性能以及高耐蚀性等综合优点,同时又具有较好的生物相容性。因此在Zr基非晶合金基体上制备极端润湿性表面具有重要的意义。本文选用ZrCuAlFe块体非晶合金作为研究对象,在同一种电解液中(Na Cl为溶质,甘油与去离子水等体积混合溶液为溶剂),通过不同电压下恒压刻蚀样品表面分别获得了水下超疏油、高粘附超疏水、低粘附超疏水和超疏水高疏油等极端润湿性表面。主要研究结果如下:空气中高粘附超疏水表面的制备。通过3 V恒电压电化学刻蚀在非晶合金表面获得了粗糙的珊瑚礁状微米结构及分布其上的大量细丝状纳米结构,经绿色环保低表面能物质硬脂酸修饰之后表面获得超疏性,水滴能够牢牢的粘附在表面,即使将样品旋转90°或者180°水滴也不会掉落。研究表明该表面具有良好的耐压性、耐酸性和耐磨性,但在强碱性溶液和盐溶液中耐蚀性较差。水相中超疏油表面的制备。通过4 V恒压电化学刻蚀在非晶合金表面构造出粗糙的微纳米复合结构,该表面在空气中亲水,置于水相中则呈现出超疏油性,油滴在表面处于Cassie模型状态。该表面在酸碱性溶液、氯化钠溶液中具有优异的耐久性,还具有良好的耐磨性,能够适应复杂苛刻的环境,可以用作水下自清洁、防油污和防腐蚀。空气中低粘附超疏水表面的制备。通过20 V恒电压电化学刻蚀在非晶合金表面构造出不规则叶状微米结构,其上密集堆积着纳米级细小颗粒,经硬脂酸修饰后表面能够超疏水,水滴在该表面上处于Cassie模型状态,滚动角小于10°,样品表面拥有良好的自清洁性能。研究表明表面在空气和酸性溶液中具有良好的耐久性,但在强碱性溶液和盐溶液中耐蚀性较差,其耐磨性相较于低电压下较差。Zr基块体非晶合金超疏水高疏油表面的制备。30 V恒压电化学刻蚀在非晶合金表面构造出微纳米复合微观形貌,在空气中超亲水,经硬脂酸处理后表面能够超疏水高疏油。结果表明所制备的Zr基块体非晶合金超疏水高疏油表面有着良好的自清洁性、耐久性、耐酸性及良好的耐磨性,但在强碱性溶液和氯化钠溶液中耐蚀性较差。

关键词： Zr基块体非晶合金水下超疏油超疏水超疏水高疏油电化学刻蚀

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氧化对硅锗合金低维结构PL发光的影响

氧化对硅锗合金低维结构PL发光的影响

作者：王海旭贵州大学

学位级别：硕士

用未掺杂的SiGe合金薄膜(在硅基上用MBE技术生成,其中x=0.25,薄膜厚度为2000nm)作样品,分别用强脉冲激光(波长为1064nm、脉冲瞬时功率密度约为10W/cm、重复率为1000次/秒)辐照的方法与连续激光(波长为532nm、功率为20mW)辐照辅助电化学... 详细信息

用未掺杂的SiGe合金薄膜(在硅基上用MBE技术生成,其中x=0.25,薄膜厚度为2000nm)作样品,分别用强脉冲激光(波长为1064nm、脉冲瞬时功率密度约为10W/cm、重复率为1000次/秒)辐照的方法与连续激光(波长为532nm、功率为20mW)辐照辅助电化学刻蚀的方法对样品进行加工,然后将样品置于高温氧化炉(800℃)中进行不同程度的退火氧化处理。用高分辨率扫描电子显微镜(SEM)观察分析硅锗合金样品的低维结构形貌,发现不同加工条件下所生成的点状、线状与片状等低维结构,及其退火氧化后的结构变化;用514nm亚离子激光拉曼/荧光光谱仪测量这些低维结构所对应的光致荧光(PL)光谱,发现由于氧化条件的不同生成的这些结构所对应的PL光谱无论是强度、还是峰位都发生了显著的变化。本文用激光与物质相互作用以及硅锗合金的氧化机理模型分析了这些结构形成的原因。实验中,由于激光辐照能量、时间和退火条件的不同而使得氧化硅层的厚度与纳晶团簇的尺寸发生变化,进而造成纳晶硅锗能带结构及其氧化界面态的变化,从而影响样品的PL发光。根据量子受限(QC)与量子受限发光中心(QCLC)模型,给出纳晶硅锗与氧化界面态的综合模型来解释样品PL发光的变化。该模型认为:硅锗的低维纳米结构对应的量子受限效应展宽了能隙,其不同的氧化条件生成各种氧化界面态;当氧化界面态能级低于展宽后的导带底能级时,氧化界面态可以捕获导带底的电子形成亚稳态,该亚稳态与价带顶可以形成粒子数反转,从而产生较强的PL发光乃至受激发光。而由氧化界面态能级的高低可以解释PL光谱的频率变化。

关键词：光致发光硅锗薄膜激光辐照电化学刻蚀退火氧化界面态

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GH4169超疏水表面制备的实验研究

GH4169超疏水表面制备的实验研究

作者：程丹沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

超疏水表面是水接触角大于150°且滚动角小于10°的一类表面,具有防结冰、自清洁等优点。自然界中,荷叶、蝉翼等均为超疏水表面。目前制备超疏水表面的方法有化学溶解法、化学沉积法等,但会存在环境污染、效率低等问题。GH4169具有抗氧... 详细信息

超疏水表面是水接触角大于150°且滚动角小于10°的一类表面,具有防结冰、自清洁等优点。自然界中,荷叶、蝉翼等均为超疏水表面。目前制备超疏水表面的方法有化学溶解法、化学沉积法等,但会存在环境污染、效率低等问题。GH4169具有抗氧化、抗疲劳等特性,广泛应用于航空航天领域。因其较为特殊的应用环境,制备GH4169超疏水表面具有重要意义。本课题基于超疏水表面的研究现状和润湿性相关理论,对GH4169超疏水表面的制备进行探索,选择分别以氯化钠溶液、硝酸钠溶液为电解液的电化学刻蚀法以及激光刻蚀法进行制备,均获得具有良好超疏水特性的表面,并分别对不同加工过程中的GH4169表面进行表征。论文还探究了不同刻蚀法中各参数对润湿性的影响。采用单因素实验探究电化学刻蚀法中电流密度、加工时间、电解质浓度、刻蚀温度以及激光刻蚀法中光纤激光打标机的频率、功率以及扫描速度对GH4169表面润湿性的影响。最后,分别对不同刻蚀法制备的GH4169超疏水表面进行自清洁性、耐腐蚀性、耐磨性、防结冰性以及粘附性能测试。

关键词： GH4169 超疏水表面电化学刻蚀激光刻蚀性能测试