多孔硅
多孔硅参考PPT
❖ 高孔度多孔硅(高于70％)：可用作发光材料， 孔度越高，发射光的波长就越短。
2021/5/8
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研究硅基蓝光发射材料的意义
❖ 蓝光无论在光显示、光信息处理还是光通信等方面都是极 为重要的。从集成光电子学的要求来看，在硅基上实现蓝 光发射则意义更大。
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在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃 迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。
在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃 迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需 要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。
所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制 作光源。因此多孔硅发光在光电技术中具有十分重 要的意义！
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多孔硅的结构
❖ 研究中发现，只有高孔度(高于70％)的多孔硅才能发光，而且孔度越高， 发射光的波长就越短。
❖ 当孔度达到80％以后，相邻的孔将连通，留下一些孤立的晶柱或晶丝； ❖ 鲍希茂等认为，多孔硅是由许多小颗粒组成，颗粒的内核是有序的，
外面覆盖一个无序壳层，这些颗粒在空间堆成无规则的珊瑚状，有序 晶核的排列保持原来单晶的晶向。
构型上主要表现在键长上。
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多孔硅发光的基本理论
分子在势能面间的“跳跃”过程称为跃迁，相应于电子从一个 轨道跳跃到另一个轨道。 辐射跃迁：即跃迁过程伴随着光子的放出，包括荧光和磷光过程； 非辐射跃迁：即跃迁过程没有光子参与，能量以热或者其他形式
耗散，包括内转换、系间窜越等。
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6. 文献报道多孔硅红光的瞬态时间常数为10～100us量级，而蓝 光的瞬态时间常数在1～10ns，相差3～5个量级。
氢氟酸刻蚀制备有序多孔硅材料研究
氢氟酸刻蚀制备有序多孔硅材料研究硅材料在现代工业中占据着非常重要的地位，广泛应用于集成电路、太阳能电池和传感器等领域。
其中有序多孔硅材料由于其大比表面积、特殊的光学性能和优秀的生物兼容性等特点，在生物医学、化学传感和分离等领域得到了广泛应用。
本文将介绍一种常见的制备方法——氢氟酸刻蚀法，并探讨其优缺点、影响因素和发展趋势。
一、氢氟酸刻蚀法简介氢氟酸刻蚀法是一种在单晶硅表面生成有序多孔结构的方法，其制备步骤包括清洗硅片、刻蚀、清洗和干燥等过程。
刻蚀液中常用的是氢氟酸、硝酸和水的混合物，其中氢氟酸起到了刻蚀硅的作用，硝酸起到了氧化硅的作用，控制多孔结构的大小和分布。
氢氟酸刻蚀法可以在硅表面上制备出各种形式的有序多孔结构，如球形有序多孔结构、棒状有序多孔结构和纳米线有序多孔结构等。
二、优缺点氢氟酸刻蚀法具有以下优点：1. 制备工艺简单，成本低廉。
2. 制备出来的有序多孔硅材料具有高度的可控性和一定的可重复性。
3. 多孔结构的尺寸、形状和分布可以通过调节反应条件（刻蚀液浓度、温度、反应时间）来实现。
但同时，氢氟酸刻蚀法也存在缺点：1. 毒性大，对环境和人体都有一定伤害，需要注意安全操作。
2. 刻蚀速度默认速度较快，容易导致多孔结构失去对称性或蚀穿硅片。
三、影响因素1. 溶液浓度：氢氟酸浓度越高，刻蚀速度越快。
2. 温度：在一定溶液浓度下，刻蚀速度随温度升高而增加。
3. 时间：可以通过延长刻蚀时间来控制多孔结构的深度。
4. 反应体系：通常的氢氟酸刻蚀体系包括单晶硅、多晶硅、水合硅和玻璃等材料，不同材料对制备出的多孔结构有显著的影响。
四、发展趋势现有的氢氟酸刻蚀法制备出的有序多孔硅材料在生物医学工程、光学器件、新型芯片等领域具有广泛的应用前景。
近年来，研究人员们针对氢氟酸刻蚀法进行了深入的研究，发现将单晶硅和多晶硅表面安装金属催化剂可以获得更好的多孔结构，加入表面活性剂等辅助剂可以刻蚀出更小的孔洞。
此外，还有学者通过制备加入储能材料等新型制备方法，进一步提升了多孔硅材料的性能。
多孔硅
四、展望
由于多孔硅的研究从一开始就有明确的应用 目的，未来可以从以下几个方面去研究： 1、发光机理 2、色彩
五、应用
多孔硅的应用研究领域已经拓展到生物物递送等领域。
二、发展历史
1、1956年Uhlir首先制备并报道了多孔硅， 随后多孔硅作为绝缘材料，即做成 SOL(Silicon on insulator)结构被应用于硅 集成电路； 2、1984年Pickering等首先在低温(4．2K) 下观察到了多孔硅的可见光致发光现象， 但当时未引起足够的重视。
3、1990年Canham 首次报道了多孔硅在 室温下具有强烈的可见光致发光现象后， 多孔硅的研究才得到较大的进展，人们相 继发现了多孔硅多种颜色(红、蓝、绿、紫、 黄、紫外、蓝绿以及黄绿等)的光致发光和 电致发光．鉴于硅基发光材料在光电子学 领域巨大的潜在应用前景，有关多孔硅的 制备、光致(电致)发光特性以及发光器件等 方面的研究便迅速成为当今国际凝聚物理 和材料研究领域的研究热点
多孔硅
一、定义及特点 二、发展历史 三、制备方法 四、展望 五、应用
一、定义及特点
1、定义
多孔硅是一种新型的 一维纳米光子晶体材 料，具有纳米硅原子 簇为骨架的“量子海 绵”状微结构，可以 通过电化学阳极腐蚀 或化学腐蚀单晶硅而 形成。
2、特点
多孔硅具有良好电致发光特性，在光或电的激发 下可产生电子和空穴，这些载流子可以复合发光， 在电场的作用下进行定向移动，产生电信号，也 可以储能。多孔硅在光学和电学方面的特性为全 硅基光电子集成和开发开创了新道路，并迅速引 起了国内外对多孔硅的研究热潮。由于多孔硅具 有比表面大，易氧化的特点，因而被用作集成电 路中的结构隔离层
新型含能材料-多孔硅含能材料
• 引言 • 多孔硅含能材料的制备方法 • 多孔硅含能材料的性能特点 • 多孔硅含能材料的应用领域 • 多孔硅含能材料的挑战与前景 • 结论
01
引言
含能材料的定义与重要性
含能材料
指在一定的条件下能够释放出大 量能量的物质，广泛应用于军事 、航天、能源等领域。
重要性
原材料成本
多孔硅含能材料的原材料成本较高，进一步推高 了其整体成本。
设备投入
为了满足多孔硅含能材料的生产需求，需要投入 昂贵的生产设备和基础设施。
未来发展前景
军事领域应用
多孔硅含能材料具有高能量密度和低 感度的特性，有望在军事领域发挥重 要作用。
航天领域应用
多孔硅含能材料在航天领域可用于推 进剂的燃烧催化剂或点火装置等。
安全防护领域应用
多孔硅含能材料具有快速燃烧的特性， 可应用于安全防护领域的快速灭火或 爆炸抑制等。
新材料研发
多孔硅含能材料作为一种新型含能材 料，其研究和发展对于推动新材料领 域的发展具有重要意义。
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结论
多孔硅含能材料的重要地位
新型含能材料的代表
多孔硅含能材料作为新型含能材料的代表，具有优异的安 全性能和能量释放能力，在推进剂、爆炸和军事等领域具 有广阔的应用前景。
多孔硅含能材料的简介
多孔硅
多孔硅是一种新型的含能材料， 具有高能量密度、高稳定性、环
保等优点。
制备方法
多孔硅的制备通常采用化学气相沉 积法，通过控制反应条件和原料配 比，制备出不同孔径和孔隙率的硅 基多孔材料。
应用领域
多孔硅含能材料在军事、航天、能 源等领域具有广泛的应用前景，如 火箭推进剂、炸药、燃料电池等。
多孔硅材料在化学分析和药物研究中的应用
多孔硅材料在化学分析和药物研究中的应用化学分析和药物研究一直是科学领域中最为重要的研究方向之一。
而多孔硅材料，由于其独特的物理和化学性质，逐渐成为了化学分析和药物研究领域中不可或缺的研究材料。
本文将围绕多孔硅材料的物理化学特性、制备方法、以及其在化学分析和药物研究中的应用等方面进行探讨。
一、多孔硅材料的物理化学特性多孔硅材料是一种具有高度孔隙结构的材料，其具有以下特点：1、孔径大小可控。
多孔硅材料孔径大小范围一般为1.5~50纳米，可通过改变制备条件来控制孔径大小。
2、表面积大。
由于多孔硅材料内部具有大量孔道，因此表面积相对较大。
多孔硅材料的比表面积可达到600-1000平方米/克。
3、化学稳定性好。
由于硅材料的化学性质比较稳定，因此多孔硅材料也具有良好的化学稳定性。
4、生物相容性好。
多孔硅材料中不含有毒性物质，具有良好的生物相容性。
综上所述，多孔硅材料具有孔径大小可控、表面积大、化学稳定性好、生物相容性好等优点，这些特性使得多孔硅材料在化学分析和药物研究中有着广泛的应用前景。
二、多孔硅材料的制备方法多孔硅材料的制备方法主要有两种：一种是自组装法，另一种是模板法。
自组装法是指将硅化合物加入有机溶剂中，通过调节有机溶剂的性质使硅化合物自组装形成多孔硅材料。
自组装法优点在于制备简单、工艺成本低，但其孔径大小不易控制。
模板法是指利用氧化铝、氧化硅等材料作为模板，在其表面上沉积硅化合物制备多孔硅材料。
模板法能够制备具有特定孔径大小的多孔硅材料，但其制备过程较为繁琐，成本也较高。
三、多孔硅材料在化学分析中的应用1、分离纯化多孔硅材料具有较大的比表面积和可控的孔径大小，因此可用于对分子的吸附、过滤和分离纯化。
多孔硅材料与分离相分离、多孔硅材料与溶液相结合可以有效地分离出目标分子。
2、荧光探针多孔硅材料具有较好的荧光性能，因此可以作为一种荧光探针用于化学分析中的信号检测。
三、多孔硅材料在药物研究中的应用1、药物传递多孔硅材料可以作为一种载体，将药物载入孔隙中并通过靶向修饰分子将多孔硅材料输送到靶细胞内部，从而实现药物传递的效果。
多孔硅简介
多孔硅的发光机理——非晶发光模型
多孔硅中含有较多的氧，形成无序混合相 ，其发光光谱与非晶硅相似。多孔硅产生非 晶硅的可能性有两种解释：一是多孔硅晶格 常数比衬底硅大，会产生较大应力；多孔硅 晶粒表面应力引起无序变化。第二种是自然 氧化过程也会在多孔硅表面引起应力。
多孔硅发光机理——与表面相有关的发光模型
缺点是如果阳极和阴极的相对位置不合适及在 其表面形成氢气泡的绝缘效应引起电解质电流密 度空间的变化，从而导致不均匀腐蚀的发生。
2、双槽电化学法制备多孔硅 双槽电化学方法制备多孔硅的具体做法是将
硅片插入装有腐蚀液的电解槽中间的固定架上， 硅片把电解槽分成两个相互独立的电解槽，用两 片铺片分别面对面放在硅片的两侧作为阴极和阳 极。结构简图如图3所示。
1.SH2模型 红外吸收光谱表明，多孔硅表面存在SH2,升温 退火可解吸，HF浸泡又可恢复。这些变化与多 孔硅的荧光谱有对应关系，所以认为发光是由 SH2引起的。 2.表面吸附分子发光模型 认为多孔硅巨大的表面积所吸附的某些成分是 荧光的原因，例如氢、氟、氧、碳等。而这些 成分都被证明存在多孔硅表面。
简单制备方法
硅在HF溶液中进行电化学腐蚀（单槽和双槽）
多孔硅发光机理的几个模型
多孔硅的发光机理——量子尺寸模型
Canham提出，采用电化学腐蚀的制备的多孔 硅是由密集的、具有纳米量级线度和微米量级 的硅丝组成，形成了所谓的“量子线”。当空 隙密度大于80%时，硅丝间是相互竖立的。多 孔硅的发光被认为是约束在这些量子线上的激 子的辐射复合。
具有以纳米硅晶粒为骨架的海绵状结构 的新ห้องสมุดไป่ตู้功能材料
多孔硅结构
多孔硅特性
绝热层
导热率达到 0.624W（m.k）
多孔硅碳材料 制备工艺流程
多孔硅碳材料制备工艺流程一、原料选择多孔硅碳材料的制备需要选择合适的原料，包括硅粉、碳粉、催化剂等。
其中，硅粉和碳粉是制备过程中的主要原料，其质量和纯度直接影响材料的性能和孔结构。
二、混合搅拌将硅粉和碳粉按照一定比例混合均匀，加入适量的催化剂，进行搅拌，使其混合成泥状物。
搅拌过程中要注意控制温度和搅拌速度，防止原料烧结或破坏孔结构。
三、成型将搅拌好的泥状物进行成型，可以采用挤压、压制、注射等方法，根据设备条件和工艺要求选择合适的成型方法。
成型过程中要注意控制压力和温度，以保证材料的孔结构和形貌。
四、烧结成型后的材料需要进行烧结，以去除原料中的挥发分和固定其化学成分，形成多孔硅碳材料。
烧结过程中要注意控制温度和时间，以保证材料的孔结构和强度。
五、孔结构调控多孔硅碳材料的孔结构可以通过控制烧结温度和时间、添加助剂等方法进行调控。
通过调整孔结构，可以提高材料的吸附性能和催化性能。
六、后处理烧结后的材料需要进行后处理，包括清洗、干燥、切割等，以获得符合要求的尺寸和形状。
后处理过程中要注意保护材料的表面结构和性能。
总结：多孔硅碳材料的制备工艺流程包括原料选择、混合搅拌、成型、烧结、孔结构调控和后处理等步骤。
在制备过程中，需要注意控制各个工艺参数，以保证材料的性能和孔结构。
同时，需要根据应用领域和性能要求，对材料进行进一步的后处理和改性，以提高其性能和应用价值。
以上是多孔硅碳材料的制备工艺流程的简要介绍，具体的制备过程可能因实验室条件和工业化生产的要求而略有不同。
但总体来说，这一流程涉及到原料选择、混合搅拌、成型、烧结等多个环节，需要严格控制各个工艺参数，以保证材料的性能和孔结构。
同时，为了提高材料的性能和应用价值，还需要对材料进行进一步的后处理和改性。
在制备多孔硅碳材料的过程中，需要注意以下几点：1. 原料的选择和质量控制：原料的质量和纯度直接影响材料的性能和孔结构，因此需要选择高质量的硅粉和碳粉，并严格控制其纯度。
多孔硅生产工艺及流程
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Light-Emitting Porous Silicon – a STM Study
• Quantum confinement – STM proof
• STM-induced electroluminescence
• STM nano-structuring
XTEM Micrographs Showing the Basic Differences in the Morphology Among p, n, n+,
and p+ Porous Silicon. [Chuang 1989]
Schematic Drawing of Bond Orientation for Three Common Crystalline Planes:
(110), (111), (100)
Si Surface Bound Oxidation Scheme. [Lehman 1991]
Schematic of the Si/Solution Anodization Circuit Showing the Potential Drops Across the
Various Interfaces.
Schematic of the Electrochemical Anodization Cell Used for Porous Silicon Preparation.
Topography and the STM Tip. (not to scale)
3-D STM Image of Porous Silicon Surface. (980nm x 900nm)
3-D STM images of a 20-nm-thick Porous Silicon Film. Observe the Morphological Features Size for: type-A (Exhibiting no Visible Photoluminescence), type-B (Exhibiting
Weak Visible Photoluminescence), and type-C (Exhibiting Efficient Visible
Photoluminescence) Films. STM Images Size: 110nm x 110nm.
4505005506006507007508008509009500.0
0.2
0.40.60.81.0Energy [eV]
P h o t o l u m i n e s c e n c e s i g n a l [a . u .]Wavelength [nm]
Photoluminescence Spectra of type-B(a) and type-C(b) Porous Films.
Symbolic Presentation of the Correlation Between Evolution of Surface Morphology and
Evolution of Photoluminescence Signal.
Schematic Drawing of the STM-Induced Electroluminescence Experiments.
Electroluminescence.
Energy Band Diagram Explaining the Origin of the STM-Induced Electroluminescence.
STM “Writing” Nano-Structures onto Porous Silicon. (500nm x 500nm)
(simultaneously topography and tunneling barrier height)
Relaxation Behavior of the STM “Written” Nano-Structures. (550nm x 550nm)
(simultaneously topography and tunneling barrier height) initial
4 hours later
4 hours later
16 hours later
Microscopic Model for Electronically Induced Modifications by STM Tip onto Porous Silicon.
Schematic Drawing of the STM Tip Scanning Across a Porous Silicon Modified Region.
initial
100 hours later STM “Writing” of Stable Nano-Structures onto Porous Silicon. (880nm x 550nm) (simultaneously topography and tunneling barrier height)
Band Structure Model Representing the Porous Silicon Film and the Crystalline Silicon, Including the Surface States before(a) and after(b) STM “Writing”.
“Writing” a Letter by STM onto 20-nm-thick Porous Silicon. (500nm x 500nm)
“Writing” by STM the Logo of Technical University of Munich (“TUM”) onto 20-nm-thick onto Porous Silicon. (900nm x 500nm)。