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快中子敏感硅微通道板的模拟与设计

核技术 2022年第2期45卷 18-24页

作者：户志鸣刘昌奇马占文郭志琦姚泽恩兰州大学核科学与技术学院兰州730000 兰州大学教育部中子应用技术工程研究中心兰州730000

兰州大学研制的快中子成像探测器由聚乙烯转换器、铅玻璃微通道板和电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)相机组成,为了进一步提高探测器的空间分辨率,计划用硅微通道板(Silicon Microchannel Plate,Si-MCP)作为像探测器中的转换器... 详细信息

兰州大学研制的快中子成像探测器由聚乙烯转换器、铅玻璃微通道板和电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)相机组成,为了进一步提高探测器的空间分辨率,计划用硅微通道板(Silicon Microchannel Plate,Si-MCP)作为像探测器中的转换器和倍增器件。采用蒙特卡罗模拟工具包Geant4,建立Si-MCP的模拟模型,并模拟Si-MCP对14 MeV快中子的转换效率和空间分辨率随板厚、倾角、孔径、壁厚的变化规律。通过分析模拟结果,对Si-MCP的几何结构进行优化,最终确定Si-MCP的几何参数。模拟结果显示:转换效率主要随板厚的增加而增加,倾角方向的空间分辨率主要受到板厚和孔道倾斜角度的影响。当Si-MCP的板厚为1 mm,通道倾角为2°,孔径设置为10μm,壁厚设置为10μm时,Si-MCP对14 MeV快中子的转换效率为0.15%,倾角方向的空间分辨率为43μm。采用V型叠加的双层Si-MCP探测系统,对14 MeV快中子的转换效率为0.31%,倾角方向的空间分辨率为43μm。模拟结果将作为设计快中子像探测器中的Si-MCP的参考依据。

关键词：硅微通道板快中子成像转换效率空间分辨率

硅微通道板化学机械抛光及微通道整形技术研究

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硅微通道板化学机械抛光及微通道整形技术研究

作者：李海斌长春理工大学

学位级别：硕士

近些年来以硅材料为基础制作微通道板已经成为国内外研究的热点,硅微通道板相相对于传统工艺的微通道板具有更多优点,比如高分辨率、高深宽比、高电子增益、低功耗等,被广泛的应用于离子探测、微光夜视等领域。本文通过实验研究的方法,... 详细信息

近些年来以硅材料为基础制作微通道板已经成为国内外研究的热点,硅微通道板相相对于传统工艺的微通道板具有更多优点,比如高分辨率、高深宽比、高电子增益、低功耗等,被广泛的应用于离子探测、微光夜视等领域。本文通过实验研究的方法,在硅微通道板制备工艺过程中,对化学机械抛光和硅微通道结构整形技术进行了优化与改进,其中包括以下几个方面:(1)利用真空填蜡的方法实现对硅微通道阵列结构孔道的保护,并优化了化学机械抛光的工艺与去蜡清洗工艺,实现了对硅微通道板的化学机械抛光。(2)研究了硅微通道阵列结构整形的方法与实验条件,并优化实验工艺条件,制备出正方形孔形的硅微通道阵列结构。(3)利用化学机械抛光的方法,对硅微通道阵列结构等径区域进行研究,测得等径区域所占比重,并优化整形实验条件获得更高比重等径区域的硅微通道阵列结构。

关键词：硅微通道板化学机械抛光结构整形四甲基氢氧化铵湿法腐蚀

硅微通道板在微光信号探测及超级电容储能方面的应用

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硅微通道板在微光信号探测及超级电容储能方面的应用

作者：徐雨薇华东师范大学

学位级别：硕士

三维硅微通道板作为一种具有高深宽比的衬底材料,在微光信号探测和超级电容储能领域具有很大的应用潜力。基于传统MEMS加工手段,在p型硅片上依次进行氧化、光刻、电化学刻蚀等标准MEMS工艺处理,能够获得通孔尺寸为5×5 μm,深度为200 μ... 详细信息

三维硅微通道板作为一种具有高深宽比的衬底材料,在微光信号探测和超级电容储能领域具有很大的应用潜力。基于传统MEMS加工手段,在p型硅片上依次进行氧化、光刻、电化学刻蚀等标准MEMS工艺处理,能够获得通孔尺寸为5×5 μm,深度为200 μm的硅微通道板(Si-MCPs)。用于微光信号探测的典型代表是光电倍增管,制备基于硅微通道板的光电倍增管,需要经过一系列膜层淀积和表面形貌改善工艺。经过工艺的调整和优化,光电倍增管的板电阻较之前有了进一步提高,包括光刻对准、表面平整度与洁净度、发射短路在内的诸多形貌问题得到合理解决。通过化学镀和电沉积两种方式在硅微通道板表面形成致密的镍集流层,之后在其上电沉积二氧化锰作为活性物质,从而得到超级电容器单电极。再与基于泡沫镍的高导电材料、隔膜、电解液一起封装成全电容。运用XRD、SEM和EDS等常用手段来测试与表征电极材料的微观形貌和构成组分,分别在1 mol/L的Na2SO4和1 mol/L的LiCl04-PC电解液中对单电极和全电容进行电化学性能测试。样品的电化学表征手段包括循环伏安法、恒流充放电和电化学阻抗谱。测试发现MnO2/Ni/Si-MCPs单电极性能良好,比电容达到0.961 F/cm2 (323.1F/g),循环1000个周期后容量留存率达到91.1%,500个周期后损失仅达1.4%。在封装全电容时选用有机电解液,能够避免产生水解、释放副产物、溶解度低等问题,从而使电容的电压工作范围达到1.2 V。MnO2/Ni/Si-MCPs全电容的比电容达到0.745 F/cm2 (214.1 F/g),最大能量密度/功率密度分别为8.6Wh/kg和7.0 kW/kg,一节全电容充电后可以点亮LED约2分钟时间,显示出一定的储能实力。

关键词：硅微通道板微光信号探测超级电容储能应用潜力

硅微通道板制作双氧水传感器及ZnO系半导体气敏传感器

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硅微通道板制作双氧水传感器及ZnO系半导体气敏传感器

作者：经雨珠华东师范大学

学位级别：硕士

硅微通道板由于本身特殊的三维结构而应用广泛,如电子倍增器件,生物分析系统,超级电容器,三维锂离子电池,以及三维传感器等。本论文研究工作主要分为两方面。第一方面主要研究了基于钯／镍／硅基微通道电极的双氧水传感器的制备。其中... 详细信息

硅微通道板由于本身特殊的三维结构而应用广泛,如电子倍增器件,生物分析系统,超级电容器,三维锂离子电池,以及三维传感器等。本论文研究工作主要分为两方面。第一方面主要研究了基于钯／镍／硅基微通道电极的双氧水传感器的制备。其中重点研究了采用无电镀、电镀方法制备该电极的原理及方法,并通过对钯／镍修饰的硅基微通道板电极的表面形貌及其对双氧水的电化学探测性能的分析研究,得出这种具备三维结构的电极对双氧水在0.1mol/L的氢氧化钾溶液中的氧化具有很高的催化活性的结论。在0.12V的测量电位下,钯／镍／硅基微通道板电极的灵敏度高达0.86mAmM-1cm-2,计算得到的检测下限浓度为7.6μM。检测线性范围高达27.5mmol/L,线性相关系数为0.99923。该电极还具有良好的电催化性能、响应快速、稳定性高和可重复性。第二方面主要探索了硅微通道板用于ZnO系半导体气敏器件的制作工艺。硅微通道结构微型化,孔道尺寸较小,在孔道内表面制备薄膜难度高。本文主要解决了利用溶胶-凝胶法在硅微通道内壁上制备均匀ZnO气敏薄膜的问题。研究了ZnO溶胶的特性,探索了ZnO溶胶在硅微通道内壁上均匀成膜的工艺技术。采用溶胶-凝胶法制备了ZnO溶胶,再通过加入HzO2提高溶胶的稳定性并改善溶胶的成膜性。实验所制备ZnO薄膜的厚度大约为0.03μm,该数值与经理论计算所得的氧化锌气敏薄膜的厚度10.29nm为同一数量级,基本达到了ZnO系半导体气敏器件制备的要求。

关键词：硅微通道板三维结构电化学传感器氧化锌薄膜气敏器件

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硅微通道板打拿极技术研究

硅微通道板打拿极技术研究

作者：万祎长春理工大学

学位级别：硕士

硅微通道板是90年代以后提出的一种全新的基于半导体工艺技术而形成的图像增强器件。与传统的玻璃微通道板相比,硅微通道板在技术上实现了重大突破——将衬底材料和打拿极材料相分开,同时也将微通道阵列和打拿极制备工艺分开。本文主... 详细信息

硅微通道板是90年代以后提出的一种全新的基于半导体工艺技术而形成的图像增强器件。与传统的玻璃微通道板相比,硅微通道板在技术上实现了重大突破——将衬底材料和打拿极材料相分开,同时也将微通道阵列和打拿极制备工艺分开。本文主要研究了连续打拿极的二次电子发射特性和打拿极的制备。在工艺上,提出了干法和湿法两种制备打拿极的方法。干法制备打拿极是采用LPCVD在硅微通道板内壁形成多晶硅薄膜作为连续打拿极的导电层,再利用热敏化工艺形成SiO二次电子发射倍增层,流通了硅微通道板的整个工艺;湿法制备打拿极是以乙酸镁为原料,采用溶胶凝胶法在硅微通板上制备MgO薄膜作为打拿极的导电发射层。

关键词：硅微通道板连续打拿极二次电子发射 MgO薄膜

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硅微通道板光电化学腐蚀影响因素的研究

硅微通道板光电化学腐蚀影响因素的研究

作者：余金豪长春理工大学

学位级别：硕士

微通道板(MCP)在微光夜视、图像光子计数器以及粒子探测等诸多领域得到广泛应用。随着性能要求的提高,传统玻璃微通道板不再满足要求,急需寻求新技术替代。硅微通道板因为其高空间分辨率等优点展现出良好发展前景。本文研究了硅微通板... 详细信息

微通道板(MCP)在微光夜视、图像光子计数器以及粒子探测等诸多领域得到广泛应用。随着性能要求的提高,传统玻璃微通道板不再满足要求,急需寻求新技术替代。硅微通道板因为其高空间分辨率等优点展现出良好发展前景。本文研究了硅微通板光电化学腐蚀技术。研究了硅微通道阵列光电化学腐蚀光激发特性影响因素。测试了n型硅光电化学腐蚀的光谱响应特性,并对其进行了理论分析。研究了欧姆接触层制备方式对光激发特性的影响。设计磷扩散与离子注入工艺两种工艺制备欧姆接触层,对两种样品进行光电流测试,对比发现磷扩散工艺制备的欧姆接触层的光电流更高。采用磨角染色法测量欧姆接触层厚度,研究了氧化工艺对欧姆接触层的影响。研究了温度对硅微通道阵列形貌影响,发现过低的温度,出现硅微通道停止生长现象,过高的温度,硅微通道阵列末端孔径明显的扩大。探讨了温度与空穴迁移率、扩散系数的关系。研究了温度对硅微通道阵列腐蚀速率的影响。对不同温度下制备的硅微通道阵列腐蚀深度测量,计算其腐蚀速率。采用交流阻抗法研究不同温度下界面等效电路的电荷转移电阻,得到电荷转移电阻与温度的关系,发现随着温度升高电荷转移电阻减小,腐蚀速率加快。对不同温度下硅微通道阵列进行暗态I-V曲线扫描,发现随着温度的升高暗电流升高。研究不同HF溶液浓度对硅微通道阵列腐蚀速率影响,腐蚀速率随HF浓度增加而增加。对不同乙醇浓度下硅微通道阵列进行I-V曲线扫描,研究发现Jps在乙醇浓度为5.1wt%时出现极值,并发现随着乙醇浓度的增加,暗电流也增加。研究了表面活性剂对硅微通道腐蚀速率的影响,通过交流阻抗法得到不同表面活性剂下硅腐蚀的表观活化能,研究其与腐蚀速率的关系,添加阳离子表面活性剂HTAC的表观活化能最小,其腐蚀速率在三种表面活性剂中最快。从空间电荷区和亥姆霍兹层两方面探讨了表面活性剂类型对硅微通阵列形貌的影响。通过测量Mott-schottky曲线得到不同表面活性剂下的平带电位,讨论了平带电位与空间电荷区表面势垒的关系。研究了TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液温度和浓度对硅(100)晶面和(110)晶面腐蚀速率的影响,理论分析了硅(100)晶面和(110)晶面腐蚀速率比对硅微通道阵列孔形的影响。研究表明:硅(100)晶面和(110)晶面的腐蚀速率比是影响硅微通道阵列开口面积比的根本原因。当硅(100)晶面与(110)晶面腐蚀速率比大于2时,得到具有高开口面积比的正方形硅微通道阵列。

关键词：硅微通道板光电化学腐蚀光激发特性温度电解液组成

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覆银硅微通道板用于三维锂离子电池负极研究

华东师范大学学报（自然科学版） 2013年第5期 110-118,129页

作者：王斐徐少辉祝珊珊楼薛锋惠珂霜杨平雄王连卫华东师范大学电子工程系极化材料与器件教育部重点实验室上海200241

采用光辅助电化学刻蚀和无电镀银方法,制备出一种可用于三维锂离子电池的覆银硅微通道板(Ag/Si-MCP)负极结构.利用XRD和扫描电镜(SEM)对材料特性进行表征;并在氩气氛保护下以锂片为对电极封装为CR2025半电池,采用恒流充放电测试、循环... 详细信息

采用光辅助电化学刻蚀和无电镀银方法,制备出一种可用于三维锂离子电池的覆银硅微通道板(Ag/Si-MCP)负极结构.利用XRD和扫描电镜(SEM)对材料特性进行表征;并在氩气氛保护下以锂片为对电极封装为CR2025半电池,采用恒流充放电测试、循环伏安法(CV)及交流阻抗法(EIS),对银覆盖层对电极性能的影响进行了细致的分析.在0.02 V～1.5 V电位(***+/Li)范围内以10 mA·g^(-1)电流密度进行恒流充放电测试.样品在首次充电(硅的锂合金化)过程中获得高达3 484.7 mAh·g^(-1)的比容量值,且在首次充放电循环中库仑效率达到95.97%.并在随后的循环中,表现出优于未经覆银处理的硅微通道电极的性能.

关键词：硅微通道板锂离子电池三维微电池负极

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覆镍硅微通道板用于三维超级电容器的研究

华东师范大学学报（自然科学版） 2012年第5期 1-9页

作者：刘涛王斐徐少辉王连卫华东师范大学电子工程系极化材料与器件教育部重点实验室上海200241

采用无电镀方法在硅微通道板上制备镍,然后进一步通过化学液相沉积法,在其上面制备了氢氧化镍纳米晶体,获得了一种具有独特三维结构的Si-MCP/Ni/Ni(OH)_2超级电容器.研究发现,制得的氧氧化镍晶体由许多纳米薄片组成,XRD图谱显示其具备... 详细信息

采用无电镀方法在硅微通道板上制备镍,然后进一步通过化学液相沉积法,在其上面制备了氢氧化镍纳米晶体,获得了一种具有独特三维结构的Si-MCP/Ni/Ni(OH)_2超级电容器.研究发现,制得的氧氧化镍晶体由许多纳米薄片组成,XRD图谱显示其具备α和β两种晶型.通过循环伏安和计时电位法对该超级电容器进行了性能测试.在放电电流为10 mA时,样品获得最大放电比容量,为2 150 F/g.在多次循环测试中,样品的稳定性良好.随着退火温度的升高,样品的容量下降.研究发现氢氧化镍的表面积减小是导致容量衰减的主要原因.由于该电容器有着巨大的比容量和良好的稳定性,该三维结构有望应用于二次电源和相关器件中.

关键词：三维硅微通道板氢氧化镍超级电容器

基于硅微通道板的NiFeP微米管阵列的磁性与析氢性能

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基于硅微通道板的NiFeP微米管阵列的磁性与析氢性能

作者：连柯楠华东师范大学

学位级别：硕士

以p型晶向为的硅晶片为原材料,利用体微加工技术和表面微加工技术制备出硅微通道板。硅微通道板是一种多孔状阵列结构,具有很高的深宽比和比表面积,通孔的尺寸约为5μm,孔与孔之间的间隔约为1μm。利用硅微通道板的阵列孔道状结构,在其... 详细信息

以p型晶向为的硅晶片为原材料,利用体微加工技术和表面微加工技术制备出硅微通道板。硅微通道板是一种多孔状阵列结构,具有很高的深宽比和比表面积,通孔的尺寸约为5μm,孔与孔之间的间隔约为1μm。利用硅微通道板的阵列孔道状结构,在其表面和内部沉积NiFeP合金,形成一种微米级的合金管状阵列,称之为NiFeP微米管阵列(NiFeP micro tube array,NiFeP-MTA)。沉积过程中对传统的化学镀工艺进行了改进和完善,改善之后的方法叫做真空化学镀,真空化学镀使施镀过程有了更好的效果,使得沉积在硅微通道板内部的合金层更加均匀和平坦。实验中对微米管阵列的磁性进行了测试和分析,在平行于孔道长轴方向和垂直于孔道长轴方向,制备态NiFeP-MTA矫顽力分别为12.471Oe和17.814Oe,矩形比分别为0.063和0.018。表明这种微米管阵列在平行于孔道长轴方向上更加容易被磁化。在经过不同温度的快速热退火处理后,NiFeP-MTA的软磁性能也表现出明显地变化,当热处理温度低于300℃时,温度越高,矫顽力越小,矩形比越小,磁滞损耗越小,软磁性能越好,当热处理温度超过300℃后,软磁性能开始随着温度升高而有所下降。300℃左右为最佳的快速热退火温度。将NiFeP-MTA作为三维催化电极,对将它置于碱性电解液中时的析氢性能进行了研究。首先在制备工艺上对其进行了优化。在硅微通道板进行活化处理后对其中一面溅射一层20nm厚的Al2O3层,这样得到的样品的析氢性能比制备态更好,这是由于氧化铝溅射层可以有效地抑制NiFeP合金在硅微通道板表面上的沉积,进而消除了孔道被堵的风险;在此基础上对样品掺磷后,析氢性能有了更显著的提高,这得益于样品中磷含量的提高以及掺磷后样品表面积的增大。将电解液中置入磁力转子,磁力转子的转速会改变电解液的流速,实验发现转子转速达到一定程度后才会使得电极析氢性能有所提高,在此之前并不会对电极的析氢性能造成明显的影响。

关键词：硅微通道板 NiFeP微米管阵列(NiFeP-MTA) 真空化学镀磁性析氢性能