基于多孔硅的含能材料研究进展
多孔硅含能芯片的制备工艺和性能研究
高氯 酸 钠 制 备 多 孔 硅 含 能 芯 片 。 试 验 表 明 ：采 用 电 化 学 双 槽 腐 蚀 法 可 以 制 备 厚 度 达 ９ ０～１ Ｏ ｍ 的 不 龟 裂 多 孔 硅 厚 膜 ； Ｏ
醇 ， 析纯 ， 分 国药 集 团化学试 剂有 限公 司 。
２ ２ 多 孔 硅 的 制 备 ． ２ ２ １ 电 化 学 腐 蚀 法 制 备 多 孔 硅 的 原 理 ． ． 采 用 电 化 学 双 槽 腐 蚀 法 制 备 多 孔 硅 ， 理 原
如下 ：
出来 的制备 方法 ， 还有 电火 花刻 蚀法 等物 理制 备方 法 。
仪， ＯＸＦ ＯＲＤ 公 司 ；ＯＬ ３ ０ 型 激 光 共 聚 焦 显 微 镜 ， Ｓ１ ０
奥 林 巴 斯 光 学 工 业 株 式 会 社 ；Ｃ １ ４ Ａ 型 电 化 学 分 ＨＩ１ ０
重庆 大 学 化 工 学 院 、 京 理 工 大 学 和 ２ 南 １ ３所 等 单
入 研 究 。 当 前 对 多 孔 硅 的 研 究 主 要 集 中 在 ＭＥ ＭＳ技 术 和 气 敏 ／ 敏 传 感 器 方 面 ， 备 的 多 孑 硅 膜 厚 度 仅 在 湿 制 Ｌ
以 上 制 备 方 法 各 有 优 缺 点 ， 中 电 化 学 双 槽 腐 蚀 法 具 其
有 实 验 重 复 性 好 、 验 装 置 简 单 、 于 多 孔 硅 膜 的 批 量 实 便
生产 和制备 的 多孔硅膜 厚 度大且 不龟 裂 的优 点 。所 以
收 稿 １期 ：２ １ — １ １ ；修 回 日期 ： ０ ００ — ４ ３ ０ ０ — ５ ０ ２ １ —４１
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。
06
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。
纳米多孔硅粉的制备及其在含能材料中的应用
纳米多孔硅粉的制备及其在含能材料中的应用纳米多孔硅(nano porous silicon, nPS)是一种在硅表面形成微纳米多孔结构的硅基底材料,被广泛应用于电子元件、发光元件、生物传感器以及MEMS含能器件中。
自20世纪50年代发明以来,受到了广泛的关注。
1992年Bard教授首先发现了nPS的低温爆炸性能,自此nPS被逐步应用于进纳米含能材料。
以多晶硅粉为原料,HF、HNO3、NaNO2混合液为腐蚀体系,利用化学腐蚀法制备了nPS粉。
应用氮吸附技术、SEM、DSC-TG以及FTIR技术分别对nPS粉的比表面积、平均孔径、表面形貌、热性能及官能团进行了表征及分析,研究了HN03浓度、腐蚀时间以及原料Si粉粒径对nPS粉理化性质的影响,优化了化学腐蚀条件,得出nPS粉最佳制备方案。
以NaC104为氧化剂,制备了nPS/NaClO4复合含能材料,红外热成像仪对复合含能材料的燃烧温度进行测试,利用DSC-TG以及XRD衍射测试对复合含能材料的燃烧机理进行分析。
利用化学沉淀法制备了nPS/BaCrO4延期药,进行了燃速测试并计算了其延期精度,具体研究内容与结果如下：(1)利用化学腐蚀法制备了nPS粉体,SEM测试结果显示,nPS粉体颗粒表面产生了大量的纳米孔洞,氮吸附实验结果表明比表面积得到大幅度提升,FTIR谱图显示nPS表面产生了较高密度的Si-Hx键。
腐蚀液体系中HN03浓度是影响孔径大小及分布的主要原因；在相同的腐蚀液浓度下,延长腐蚀时间、减小原料Si粉粒径可以有效的增大nPS粉的比表面积。
确定了nPS粉的最优腐蚀条件,所制备的nPS粉比表面积最大可达到72.4m2/g。
热分析结果显示,当环境中氧气含量充足时,nPS粉氧化反应提前至400℃；(2)按照1：1的质量配比,利用超声波填充技术,制备了nPS/NaClO4复合含能材料。
该复合含能材料在燃烧过程中会发生多次燃烧现象,最高火焰温度达到2444℃。
多孔硅的应用研究进展
第19卷第4期2004年8月光电技术应用EL ECTRO-OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TIONVol.19,No.4Aug.2004多孔硅的应用研究进展裴立宅1,刘翠娟2(1.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;2.广州中慧电子有限公司,广东广州510000)摘 要:多孔硅是一种新型的纳米半导体光电材料,室温下具有优异的光致发光、电致发光等特性,易与现有硅技术兼容,极有可能实现硅基光电器件等多个领域的应用.扼要论述了多孔硅在绝缘材料、敏感元件及传感器、照明材料及太阳能电池、光电器件以及作为合成其它材料的模板等多个领域内的应用进展情况,并对其发展前景作了展望.关键词:多孔硅;应用;研究进展中图分类号:T N304.1 文献标识码:AProgress of Application on Porous SiliconPEI Li2zhai1,L IU Cui2juan2(1.College of Materials Science and Engineering Hunan University,Changsha410082,China;2.Guangzhou Zhonghui Electronics Ltd.,Guangzhou510000,China)Abstract:Porous silicon(PS)is a new kind of nanometer semiconductor electro2optic material with excel2 lent properties,such as photoluminescence(PL),electroluminescence(EL)characteristics in room tem2 perature.PS has the promising potential for application in multi2fields including electro2optic devices ow2 ing to its outstanding properties and being compatible easily with modern Si technology.The applications of PS as insulating materials,sensitive materials and sensors,illuminating materials and solar cell,opto2 electronic devices and so2called materials assistantly synthesized with PS are introduced in the paper,and the prospect of PS is also discussed.K ey w ords:porous silicon(PS);application;progress 微电子器件中应用最广泛的材料硅是一种间隙半导体,禁带宽度仅1.12eV,发光效率很低(10-4%),一般不可作为制作可见光区光器件材料,所以在光电子学领域中的应用有限.目前开发可见发光器件的工作都集中在Ⅲ-Ⅴ族的G aAs、G aP、InP、G aN,Ⅱ-Ⅵ族的ZnS、ZnSe等半导体材料上,而这些材料生成设备复杂、成本昂贵,制备工艺不够完善,特别是大规模集成难度大.自从Canham等[1]在室温下实现了多孔硅(PS)高效率(>1%)的可见光致发光现象后,多孔硅引起了人们的极大兴趣,并相继实现了多种颜色(蓝、绿、红、紫及蓝红等)的光致发光及电致发光.对多孔硅的制备技术、形成机理及发光机理等研究表明,完全可以制备出适合光电器件应用的多孔硅,同时多孔硅本身就是硅材料,很容易与现有硅技术兼容,可以弥补单晶硅材料不能有效发光的缺点,预示了用单晶硅制备光电器件进而实现全硅光电子集成的美好前景,对未来光电子器件及整个电子学领域的发展会产生不可估量的影响.本文主要介绍了多孔硅的最新应用进展情况,并对其发展前景作了展望.收稿日期:2004-06-02作者简介:裴立宅(1977-),男,河北肃宁人,博士研究生,主要从事硅半导体材料的研究.1 多孔硅的应用1.1 绝缘材料在多孔硅研究的早期阶段,由于对多孔硅的特性认识不够深入,仅限于多孔硅的绝缘性质.早在1956年Uhlir[2]首先制备并报道了多孔硅,随后作为绝缘材料即应用于硅集成电路.由于多孔硅高度绝缘,在低温下极易氧化,因此可用硅片阳极氧化形成一层多孔硅,再在多孔硅衬底上外延生长硅单晶膜,再用选择腐蚀办法开窗口,通过窗口对外延层下面的多孔硅进行侧向氧化形成绝缘衬底上的硅“Silicon On Insulator”(SOI)结构.这种SOI结构是用大面积单晶硅膜构成,故不存在晶粒间界,外延膜也优于用其它方法制造的SOI结构.1.2 敏感元件及传感器1.2.1 敏感元件多孔硅被认为是湿敏元件最理想的材料.多孔硅是由腐蚀晶体硅后形成的纳米尺度的硅柱线阵而得到的,所以在硅柱间存在大量孔隙,使硅柱表面能大量接触空气.由于硅柱表面是耗尽状态,所以表面层电阻明显增加,当空气湿度增加时,硅柱表面出现水分子吸附,是极强的电介质,而在氢原子附近具有非常强的正电荷,对水分子有较大的亲和力.当水分子在p型多孔硅中的附着量增加时,在价带顶部形成附加的受主表面态,可接受来自价带顶部的电子,从而形成表面的负电荷积累,并且表面能带向上弯曲,为平衡束缚在表面的负电荷将在近表面价带中出现空穴积累,其结果导致多孔硅层内的载流子浓度明显增加,多孔硅层的电阻率降低,所以在不同环境下由多孔硅的电流变化可检测环境的湿度.1.2.2 传感器多孔硅薄膜是表面微机械加工技术中理想的牺牲层材料,具有如下特点:多孔硅薄膜的形成速率大,每分钟几微米,且膜厚大于80μm;多孔硅上可沉积应变膜,比如多晶硅及各种金属膜等;由于选择性生长等特点,通过合适的掩膜可在特定区域内形成多孔硅;通过一定的掺杂,可以实现自停刻蚀,与CMOS工艺兼容.以多孔硅薄膜作为牺牲层可制成绝热式量热型传感器,具有热响应时间短、热损失少、绝热效果佳、量热精确等优点.赖宗声等[3]以多孔硅作为牺牲层,利用多孔硅的选择性生长机理以及在高阻衬底上横向形成速率大于纵向形成速率的特点,得到了距衬底很深的微桥、微梁、微沟道等微结构,并设计研制了一种绝热式量热传感器.黄宜平等[4]采用多孔硅SOI材料研制了压力传感器,SOI结构的单晶硅岛被用作压阻材料,被多孔氧化硅所绝缘,由于一般p-n结隔离的压力传感器工作温度大于120℃,而这种结构的传感器工作温度可达350℃以上且灵敏度极高.黎学明等[5]提出了用于监测大气环境中SO2含量的多孔硅光学传感方法,用电化学浸蚀和UV光氧化后形成氧化多孔硅所产生的表面膜对SO2具有良好的灵敏度.另外对多孔硅进行一定后处理,亦可做成可检测N H3或CH4的气敏传感器.1.3 照明材料及太阳能电池1.3.1 照明材料多孔硅低温时发光会在几小时内延迟,这就是所谓的光致发光的疲劳现象,与发光峰位置有关,因此使多孔硅的光致发光延迟几小时是可以实现的,即用新颖的纳米材料研制出不用电的光源是可能的.无机类发光器件主要指由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成的发光二极管及纳米发光硅板,具有结构坚固、驱动电压低、使用寿命长、全色及可靠等优点,在不需要昂贵复杂的高新技术制备条件下,便于组织机械化、自动化生产,作为照明用发光材料具有广阔的应用前景.在多孔硅表面制作透明导电层作为一电极,以硅衬底为另一电极对多孔硅层加电压,将有截流子从电极流入到多孔硅层,可制成多孔硅发光灯[6].1.3.2 太阳能电池在太阳能电池中应用多孔硅有如下优点:①多孔硅高绒面表面形貌可用来增强光的捕获.用多孔硅作为表面绒面来增强多晶硅太阳能电池性能,不象传统NaOH溶液的绒面腐蚀只能用于[100]取向的单晶硅衬底,多孔硅可以在任何取向的单晶、多晶或微晶硅的表面腐蚀成.②多孔硅的带隙可以根据对阳光的最佳吸收来调整,太阳能电池理论效率相对于带隙曲线的最大峰值在1.5eV附近,该值在已观察到的多孔硅带隙值范围内.③多孔硅的荧光特性可用于将紫外光和蓝光转变成波长更长的光,硅太阳能电池对71第3期 裴立宅等:多孔硅的应用研究进展 这些光有更高的量子效率.④多孔硅可作为杂质原子的有效吸杂中心,这些杂质原子在高温氧化时可能形成堆积缺陷,由于高效硅太阳能电池的制备常需要多次高温氧化过程,所以这一特性可用于光伏技术.林安中等[7]在多孔硅上制备了5cm×5cm的太阳能电池,效率为9.6%.研究认为所制作的电池在效率上已达到相当水平,但表面反射率尚未降到理想水平,改进的潜力还很大.多孔硅制备简单,具有多孔特性、粗糙表面、低折射系数以及吸收光谱蓝移等特点,是一种很好的硅太阳能电池减反射膜材料.Ludemann 等[8]通过在多晶硅上形成多孔硅减反射膜,得到的太阳能电池转换效率达到了14.9%,表明多孔硅在太阳能电池技术中具有巨大的应用潜力.谢荣国等[9]采用HF/HNO3溶液腐蚀,在硅片上制备了减反射效果优良的多孔硅太阳能电池减反射膜,笔者认为出现的强减反射作用与多孔硅具有合适的折射率及其多孔特性的光陷阱作用有关.1.4 光电器件1.4.1 发光二极管(L ED)多孔硅的室温注入型可见光区L ED首先是在半透明Au或ITO/PS/p-Si/Al结构中实现的,通过金属向多孔硅注入电子,p-Si衬底向多孔硅注入空穴,然后电子和空穴在硅量子线中复合,产生电致发光(EL)发射.将纳米多孔硅覆以薄金属膜作接触,可制成具有p-n结构发桔黄色的L ED,这种器件既可用n型硅,也可用p 型硅,如果用n型硅,硅片腐蚀时必须加光照. K olkhoran等[10]研制的异质结面发射多孔硅L ED,采用射频溅射将宽带隙n型半导体ITO 膜涂覆到p型多孔硅表面制成.1.4.2 光探测器作为多孔硅在光电子学领域中的应用探索, Zheng等[11]制备了结构为Al/p-Si/PS/Al高灵敏度和快速响应的多孔硅光探测器,其探测性能可以与商业上pin结构光电二极管相比拟.对此器件进行I-V特性测量表明器件的反向电流信赖于光照,光谱响应测量表明在630～900nm 时,器件的量子效率为1,反映出多孔硅表面可以很好的捕获光子.目前存在的问题是多孔硅光探测器噪声功率较大(3.5×10-11WHz1/2,调制频率1kHz),这是由于器件有较大暗电流的缘故,相信通过改善工艺条件、优化器件结构(如改变硅衬底掺杂浓度、PS厚度等)可以减少暗电流,提高器件的探测特性.1.4.3 光电集成器件电化学腐蚀硅形成多孔硅后,表面会出现大量表面态,使其稳定性较差,对环境和后处理十分敏感,因此当多孔硅发光器件工作一段时间或经高温退火后,发光效率会大幅度下降甚至发光会消失.同时多孔硅结构的多孔质脆也给器件制备带来了一定困难,这些特性使多孔硅发光二极管(PS L ED)很难与温度高达1000℃的标准硅集成电路工艺兼容,实现全硅光电子集成,因此要把PS L ED用于全硅光电集成首先解决的问题是多孔硅器件的稳定性[12].最近两种新的PS L ED结构较好的解决了多孔硅器件的工作稳定性,同时使PS L ED的阈值电流,响应速度和寿命等参数都有了很大改进.Tsybeskov等[13]采用多孔硅部分氧化技术得到了化学性质稳定的多孔硅,在此基础上采用标准硅器件制备工艺,如低压化学气相沉积(L PCVD)、离子注入掺杂和金属化制成了工作稳定的PS L ED.另一种使PS L ED寿命和稳定性改善的方法是用铝将多孔硅包裹起来,器件衬底为0.01Ω・cm的n型硅片,通过阳极化形成1μm厚的多孔硅层.在多孔硅层上磁控溅射1μm的铝膜,并由电化学阳极化铝层形成氧化铝作为光发射窗口.当反向偏置电压大于6V时,可观察到器件发光,随着电压增加发光点增多.V=10V时,在铝接触点周围出现连续的发光线,在16V偏置电压下连续工作一个月没有发生衰退现象.Kalkhoran等[10]首创将ITO/Si异质结光电管、ITO/PSL异质结发光二极管集成在同一硅片上,在同一硅片上既有光探测器,又有发光二极管的单片集成电路,如果再用适当的传光媒质,如光导纤维、波导或镜相网络,就可以实现通信.Hirchman等[14]在改进了PS L ED的稳定性和寿命的基础上,成功地制成了由一个PS L ED 和一个驱动双极晶体管组成的光电集成电路.晶体管接成共发射极形式,集电极与L ED相连, L ED的光发射由晶体管的基极控制,尽管该电81 光 电 技 术 应 用 第19卷路结构简单,但由于其制备工艺与超大规模集成电路(VL SI)完全兼容,因此对全硅光电集成电路的发展具有很大的促进作用.1.5 合成其它材料的模板王林军等[15]采用微波等离子体辅助化学气相沉积(MPCVD)法在多孔硅上沉积金刚石薄膜,研究表明采用MPCVD可在多孔硅基片上形成均匀、致密、性能稳定且对可见光具有全透性的金刚石膜,金刚石膜与多孔硅的复合,大大稳定了多孔硅的发光波长和强度.徐东升等[16]采用有机气体催化热解法,以多孔硅为模板,在硅基上制备出了具有取向性的碳纳米管阵列,研究表明这种碳纳米管石墨化程度较高,孔径在10～100nm之间的多孔硅衬底,对碳纳米管的生长具有控制作用.尹民等[17]采用HF酸化学预处理技术和常压MPCVD法在多孔硅上首次生长出了主要为单晶的G aAs膜.另外关于多孔硅固定木瓜蛋白酶、利用多孔硅外延转移技术制备以氮化硅为埋层的SOI结构也有报道[18,19]. 1.6 在其他方面的应用多晶硅和单晶硅制备的多孔硅在电致发光中并无明显的差异,这对制作平板显示器非常有利,因为用单晶硅制作大面积器件比较困难,而多晶硅则较易实现.多晶硅可以沉积在任何尺寸的玻璃衬底上,故将多晶硅沉积到玻璃衬底上制备大面积多孔硅显示平板是最合适的方法,而且这种多孔硅可以和薄膜晶体管(TF T)驱动电路集成在一起,多孔硅一旦解决了欧姆接触、发光效率及寿命等问题,极有可能在信息显示中获得广泛应用.多孔硅被认为是射频(RF)应用领域中合适的衬底材料,如可在多孔硅或氧化多孔硅上制备平面电感.在低阻硅衬底上采用电化学腐蚀法制备多孔硅,其电阻率相对硅衬底有了极大提高,可达105Ω・cm,非常适合制备低损耗的射频无源器件、微波传输线、微波无源、有源器件及微波集成电路.贾振红等[20]利用多孔硅在阳极腐蚀过程中外加的光照度与孔隙率的对应关系,提出了一种利用光照控制多孔硅折射率的方法制备通道型光波导技术,并测量出所制备的通道型多孔硅光波导的传输损耗为16.2dB/cm,波导端面的散射损耗为3.6dB.2 展望近年来,关于多孔硅的基础理论及其应用研究取得了很大进展.目前多孔硅的应用主要体现在以下方面:绝缘材料、敏感元件及传感器、照明材料及太阳能电池、光电器件以及作为合成其它材料的模板,尤其在光电应用方面,可把多孔硅作为发光器件集成在发展成熟的大规模微电子电路里,也就是把传输速率比电子高几个量级的光子作为一种信息载体引入到硅基微电子电路里,这样可望实现廉价的光电子集成.多孔硅发光二极管性能的改善,导致了双极硅晶体管与多孔硅发光二极管光电集成的实现,尽管该电路仅是一个结构简易的电路原型,但其制备工艺与标准硅集成电路制备工艺的兼容性与获得的稳定电路特性标志着建立在全硅基础上的光电集成电路已经取得了重大进展.但是全硅光电集成电路要获得实际应用,面临的问题仍不少.从整个硅基光电集成电路领域来看,人们还需对各类硅基发光材料进行深入的基础理论和制备工艺的研究,为全硅光电集成电路的发展提供新途径、新概念和新思路.参考文献1 Canham L T.Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers[J].Appl Phys Lett,1990,57(10):1046210482 Uhlir A.Electronic shaping of germanium and silicon [J].Bell Syst Tech J,1956,35(4):33323373 赖宗声,王新君,王云珍.多孔硅微机械技术的薄膜量热传感器结构研究[J].华东师范大学学报(自然科学版),1997,35(2):442494 黄宜平,李爱珍,汤庭熬,等.多孔硅及其在SOI技术中的应用研究[J].微电子学与计算机,1995,38(2):182195 黎学明,杨建春,陈伟民,等.基于多孔硅光激荧光淬灭效应的SO2传感器[J].光电子・激光,2001,12(10):99229956 唐旭东,吴正中.纳米多孔硅光源矿山照明灯[J].煤炭科学技术,2002,30(2):462487 林安中,周良德,尹峰.多孔硅在多晶硅太阳电池上的应用[J].太阳能学报,1998,19(1):4268 Ludemann R,Damiani B,Rohatgi A.Novel processing of solar cells with porous silicon texturing[A].Proceed2(下转第22页)91第3期 裴立宅等:多孔硅的应用研究进展 图3 总费用函数曲线图 d F d x =L02{-k1x2+3k2x2+Z2 -k2(x2+Z2)32x2}=0.即:-k1+3k2x2x2+Z2-k2(x2+Z2)32=0,因为r2=x2+Z2,得到: 2k2r3-3k2Z2r-k1=0(5)式(5)的根就是最佳费用的值.3 结束语计算烟幕的最佳经济应用模型,是一个复杂的工作过程.本文从调整烟幕云团的半径出发,根据成烟量估算装药量,再根据装药量确定装药结构,最后得到弹丸尺寸.整个过程需要对烟幕药剂性能、整体结构的费用比较了解,才能通过分析计算得到比较合适的经济模型.参考文献1 姜启源.数学模型[M].北京:高等教育出版社,2002.832852 艾西安.步兵近战武器论证参考[M].北京:国防工业出版社,1999.782933 同济大学数学教研室.高等数学[M].北京:高等教育出版社,1986.1804 丁同仁,李承治.常微分方程教程[M].北京:高等教育出版社,1991.23022595 潘功配.烟火学[M].北京:北京理工大学出版社, 1997.156(上接第19页) ings of28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C],USA,2000.29923029 谢荣国,席珍强,马向阳,等.用化学腐蚀制备多孔硅太阳电池减反射膜的研究[J].材料科学与工程, 2002,20(4):507250910 K alkhoran N M.Highly conductive and wide optical band gap n2typeμc2SiC prepared by electron cyclotron resonance plasma2enhanced chemical vapor deposition [J].Mat Res S oc Symp Proc,1992,283(6):3652 37011 Zheng J P,Jiao K L,Shen W P,et al.Highly sensi2 tive photodetector using porous silicon[J].Appl Phys Lett,1992,61(4):459246112 宋登元.全硅光电子集成电路的研究进展[J].半导体光电,1998,19(3):158216313 Tsybeskov L,Duttagupta S P,Hirschman K D,et al.Stable and efficient electrolum inescence from a porous silicon based bipolar device[J].Appl Phys Lett,1996,68(15):20582206214 Hirchman K D,Tsybeskov L,Duttagupta S P,et al.Silicon based visible light emitting devices integrated in to microelectronic circuits[J].Nature,1996,384(28):338234115 王林军,夏义本,居建华,等.金刚石膜/多孔硅复合材料的性能表征[J].光学学报,2001,21(6): 753275616 徐东升,郭国霖,桂琳琳,等.以多孔硅为模板制备取向碳纳米管[J].中国科学(B辑),2000,30(4):289229317 尹民,楼立人,张学兵,等.常压MOCVD法在多孔硅上生长G aAs[J].中国科学技术大学学报, 1996,26(3):284228818 贺枫,刘立建,卓仁禧.多孔硅球固定化木瓜蛋白酶的制备和性质[J].离子交换与吸附,1997,13(3):290229419 谢欣云,刘卫丽,门传玲,等.多孔硅外延转移技术制备以氮化硅为绝缘埋层的SOI新结构[J].半导体学报,2003,24(2):189219320 贾振红.多孔硅通道型光波导的制备及传输损耗的测量[J].光子学报,2003,32(3):311231322 光 电 技 术 应 用 第19卷。
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。
用多孔硅制成更好的电池
医疗用蜘蛛 网
俄 亥俄 州 阿克 伦大 学 的研 究 人 员描述 了普 通 家蛛 的蜘 蛛 网 ， 是 怎样依靠 其 轻质 高强 的综 合 性能 在抓 捕 食物 中起 作用 的 。这项 研究 发现 蜘蛛 网上 的一种 胶有 两 种不 同 的粘 附强度 ，并 表现 出两种 不 同 的功能 ：牢 固或 柔弱 。这 项 发现 能在 伤 口愈合 和 生物 医学 上得到 应 用 。 蜘 蛛 用粘 附盘 将它们 的 网固定在 表面 上 ，这 同一 种胶 能提 供或 强 或弱 的粘 附 力。由于它 们 都是 从 同一套 腺 体 中制造 产生 ，因此可 以认 为 这取 决 于蜘 蛛实 际上 是怎样 织 它们 的 网。研 究人员 Ａ ｌ ｉ Ｄ ｈ ｉ ｎ ｏ ｊ ｗ ａ ｌ ａ介 绍说 ，“ 我们 被聪 明的蜘蛛 迷 住 了 ，它们 用蛛丝 制造 一个美 丽 的 多
Ｓ ｉ ｂ ａ ｎ ｉ Ｌ ｉ ｓ ａ Ｂ ｉ ｓ ｗ ａ ｌ 解 释 说 ，“ 这 些膜 是 用块 状 的硅 晶片 制 成 ，而且 这 个过 程 能在 单独 一 个
晶片上 重 复几次 ， 因此几 乎 没有 硅被 浪 费 。 ” 这个 方法 的第一 步 ，发表 在Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ 上 ，它包 含 了用 廉 价 的氢 氟酸 电化 学湿 式蚀 刻工 艺 在块状 硅 上蚀 刻 出孔 洞 。 “ 当硅 晶片 上 的孔 洞蚀 刻 到 需要 的深 度 后 ，在 多孑 Ｌ 硅 和块 状 硅基 体之 间通 上 更大 密度 的 电流 （ 为扩大 这 个 区域 的孔 ），这使 得孔 洞 相互 重 叠并
最终使 多孔硅从块状硅上脱离。”Ｂ ｉ ｓ ｗ ａ ｌ 说。这个工艺之后还能被重复 ，而且使用这项技术 在 标准 的２ ５ ０ ｍ ｍ 厚 的硅 晶片 上能 制造 四个 电极 。 多 孔硅 薄膜 然后 进行 干 燥和 用 聚丙 烯腈 （ Ｐ Ａ Ｎ ）浸 渗 。最 后 ，Ｐ Ａ Ｎ 被热 解 为热 解 聚丙 烯腈
多孔硅在太阳能电池中的应用研究
多孔硅在太阳能电池中的应用研究摘要在现在利用的各种能源中，只有太阳能同时具有不分地域性、无污染、无需可动部件、永不枯竭的特点，符合当今世界对能源的绿色环保和可持续发展的要求。
近些年来，全球很多国都高瞻远瞩，纷纷促进发展太阳能电池产业，制定光伏屋顶的计划。
太阳能电池应用的最大难题就是造价太高，如何降低其制造成本就成为了推广的关键。
廉价可靠的太阳能电池主要材料多孔硅就成为了人们要求的研究课题。
关键词多孔硅；太阳能电池中图分类号 tm914 文献标识码 a 文章编号 1673-9671-（2013）011-0136-02多孔硅是一种近些年才纳入人们视线的纳米半导体光电材料，其在室温下，光致发光和电致发光特性非常优异，减反效果良好，并且很容易与现在的硅技术进行兼容，因此经常被人们用来制作多晶硅太阳能电池中的减反层。
本文对于多孔硅在太阳能电池中的应用做了一系列的探讨。
1 多孔硅的特点及在太阳能电池中应用的优势多孔硅具有可见光发射和带隙宽化的现象，通过电化学或者化学腐蚀能使其在晶体硅片上展现出其电荧光和光荧光的特性。
其在太阳能电池的应用中具有以下优势：1）多孔硅具有高的绒面表面形貌，可以增强捕获光源增强多晶硅太阳能的吸光性，较之传统的naoh溶液绒面腐蚀，多孔硅能够在单晶、多晶、微晶硅的任意取向表面腐蚀成形。
2）多孔硅可以以对阳光的最佳吸收为基础调整带隙。
3）多孔硅具有良好的光荧光特性，可以经蓝光和紫外光转变成波长更长的光线，使得太阳能电池对其具有更好的量子效率。
4）多孔硅设置在cz法生长的硅片后面，可以有效的吸收杂质原子，这些杂质原子在进行高温氧化时比较容易形成堆积，这种特性可以应用于光伏技术。
5）多孔硅进行电化学腐蚀和化学腐蚀时，操作比较简单，比较适合进行大批量制作。
2 实验2.1 多孔硅层的制备多晶硅片需要通过常规的化学清洗，利用碱液腐蚀掉切割硅片的机械损伤层，制备多孔硅层可以采用化学腐蚀法或者电化学腐蚀法，为了能够大批量的规模化制备多孔硅层，一般采用化学腐蚀法。
多孔硅材料的制备与性能研究
多孔硅材料的制备与性能研究近年来，多孔材料在各个领域中得到了广泛的应用。
而多孔硅材料作为一种新型的多孔材料，在能源存储、催化剂以及生物医学等领域中具有广阔的应用前景。
本文将就多孔硅材料的制备方法以及其性能研究进行探讨。
一、多孔硅材料的制备方法多孔硅材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、模板法和电化学腐蚀法等。
在溶胶-凝胶法中，首先通过水解和缩合反应形成凝胶，然后通过热处理或化学处理使之形成多孔结构。
这种方法具有制备工艺简单、成本低廉的优点，但其孔径分布范围较窄。
模板法通过使用有机或无机模板剂在硅源溶胶中形成孔道结构，然后通过烧结或氧化去除模板剂，最终得到具有多孔结构的硅材料。
这种方法能够制备出具有可控孔径和孔道结构的多孔硅材料，但模板剂的选择和去除过程较为复杂。
电化学腐蚀法则是通过在一定电位下将金属或合金腐蚀形成孔洞，然后将之填充或转化为多孔硅材料。
这种方法制备的多孔硅材料孔径分布范围较广，但制备工艺较为繁琐。
二、多孔硅材料的性能研究1. 孔结构控制多孔硅材料的性能与其孔结构密切相关。
因此，通过调控制备方法可以实现对多孔硅材料孔结构的控制。
可以通过改变前驱体的类型、溶剂的种类和浓度、反应温度等条件来控制多孔硅材料的孔径和孔道结构。
研究表明，当使用有机溶剂时，多孔硅材料的孔径通常较小，而使用无机溶剂时，多孔硅材料的孔径较大。
此外，反应温度的升高有助于减小多孔硅材料的孔径。
2. 光学性能多孔硅材料具有较高的折射率和较低的杂散光损耗，因此在光学器件中有着广泛的应用。
研究表明，多孔硅材料中的孔道结构可以通过调节前驱体的浓度和反应温度来控制。
同时，多孔硅材料的孔径和孔道结构也会对其光学性能产生影响。
通过控制多孔硅材料的孔径和孔道结构，可以实现对其折射率的调节，从而实现光学器件的性能优化。
3. 催化性能多孔硅材料在催化领域中也具有潜在应用。
多孔硅材料的大比表面积和孔道结构可提供更多的活性位点和质量传递通道，从而促进催化反应的进行。
多孔硅基材料的制备及其光学性能研究
多孔硅基材料的制备及其光学性能研究随着科学技术的不断发展，多孔材料的制备与应用成为研究的热点之一。
而多孔硅基材料因其优异的物理化学性能，在光学器件、传感器和催化剂等领域具有广阔的应用前景。
为了制备多孔硅基材料，研究者们采用了多种方法。
其中，溶剂蒸发法是一种常见而有效的方法。
该方法通过在溶液中加入溶剂，然后控制溶剂的挥发使溶液中的溶剂蒸发，从而形成微观孔洞。
此外，还可以采用溶胶-凝胶法、模板法等制备多孔硅基材料。
这些方法各有优劣，可根据实际需要选择适合的方法。
制备多孔硅基材料后，研究者们对其光学性能进行了深入研究。
首先，多孔硅基材料具有较大的比表面积，因此在光学传感器中有着广泛的应用。
多孔结构提供了大量的吸附位点，能够吸附和浓缩光学传感器中的目标分子，从而提高传感器的灵敏度和检测限。
其次，多孔硅基材料的孔隙结构也对其光学性能产生了重要影响。
通过调控孔隙结构的大小和分布，可以实现不同波长光的选择性吸收和散射，从而用于光学滤波器和分光器等光学器件。
另外，多孔硅基材料还具有较好的光学透明性和低反射特性。
以多孔硅薄膜为例，其孔隙结构使得光在薄膜内部进行多次反射和散射，从而降低了反射光的强度。
这种低反射特性使得多孔硅薄膜在太阳能电池、光伏器件和显示器件等光学器件中具有重要应用价值。
此外，多孔硅基材料还可用于制备光学玻璃、透明电极和光学纤维等。
多孔硅基材料的研究也带来了一些挑战。
一方面，如何准确控制多孔结构的尺寸和孔隙度是一个难题。
尺寸和孔隙度的变化会直接影响多孔硅基材料的光学性能，因此需要精确合理地设计制备过程。
另一方面，多孔硅基材料还存在着稳定性和生物相容性等问题。
在实际应用中，如何提高多孔硅材料的稳定性、降低毒性，并确保其在生物体内的生物相容性，是需要进一步解决的问题。
总的来说，多孔硅基材料的制备及其光学性能的研究是一个正在深入探索的领域。
通过不断改进制备方法，优化多孔结构，进一步了解多孔硅基材料的光学性能，将有望实现其在光学器件、传感器和催化剂等领域的实际应用。
低应力多孔硅的制备及其含能材料爆炸性能研究
亚砜） = 4∶ 1，氧化电流密度 50 mA / cm2 ，氧化时间 35 min 时，相对应的多孔硅孔隙率为 38． 3 % ，平均膜厚为 131． 3 μm，表面粗糙度为
81. 6 nm，最适宜与硝酸钆形成复合材料。此条件下制得的多孔硅 / 硝酸钆复合含能材料的爆炸色温为 2632． 4 K，释放的能量为 2012 J /
（ 1． College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University，Chongqing 401331，China； 2． Beijing Information Institute，Beijing 100094，China）
Abstract： Porous silicon with smooth surface and non － cracking surface was obtained by regulating the electrochemical anodizing conditions，which provided a stable substrate for the preparation of porous silicon － gadolinium nitrate composite energetic materials with good properties． In this paper，we presented a pioneering attempt to synthesize energetic materials based on a porous silicon － based mixed electrolyte with a mass fraction of 40% hydrofluoric acid and dimethyl sulfoxide and to explore their properties and lifetime． The weight loss method，SEM，AFM，explosion spectroscopy，DSC － TG，and high － speed camera analysis results showed that the dimethyl sulfoxide electrolyte solution had better stability compared to the traditional anhydrous ethanol electrolyte solution． The porous silicon by this solution had uniform and non － cracking surface，and higher porosity and thickness． The fresh porous silicon prepared under the conditions of the volume ratio of hydrofluoric acid： dimethyl sulfoxide = 4∶ 1，current density 50 mA / cm2 and anodizing time 35 min has a better porosity （ 38． 3% ） ，average depth （ 133． 3 μm） and surface average roughness （ 81． 6 nm） and is more suitable to form composite with gadolinium nitrate． Under the optimum preparation condition， the explosion color temperature of the porous silicon － gadolinium nitrate composite energetic material was 2632． 4 K，and the heat output was 2012 J / g． After storage for 360 days in a vacuum environment，the porous silicon － gadolinium nitrate composite energetic material still had a violent explosion． Key words： porous silicon； dimethyl sulfoxide； composite materials； explosive performance
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. 硅复合含能材料的提出
近年来人们发现多孔硅能够成为燃烧反应材料
根据测量燃烧反应的时间尺度在毫秒量级。 在低温液氧多孔硅氧化炸药的爆炸中约有 1000次的高速反 应。后来另一种多孔硅固体合成系统展示了在室温下的爆炸 操作。
多孔硅的特殊形态极大地增加了关键爆炸反应的氧化反应
速率和在限定空间内可能的关键爆炸反应次数。
1. 硅复合含能材料的提出
基于硅含能材料的高效炸药的基本原理是:利用多孔硅和特定氧化 剂的混合来形成爆炸组分。要保证纳米硅含有尽可能多的有效爆炸反 应表面积。 多孔硅的表面积增加爆炸反应的氧化反应速率，多孔硅层可以产生 在纳米大小的晶体中，并且具有大的内部表面积（102 m2/cm3） ，决 定表面积的关键因素是孔隙率，其数值大小直接影响到多孔硅的性能。 • 晶体硅进行电化学蚀刻形成多孔硅，对于工业应用存在两个关键参数， 层厚度和层生长速率。 • 利用Witten和Sanders提出了扩散限制模型及Parkhutik提出的设置蚀 刻参数模型。 • 大多数多孔硅层保持机械稳定性的最大深度为百微米量级。 • 至此，硅复合含能材料的概念已经初具轮廓，并且展现了作为一种新 型含能材料被应用到诸多相关领域的可能。Biblioteka 2. 多孔硅的原理（研究模型）
量子限制模型：一般认为，单晶硅的溶解反应方程式为： Si+2HF+入h+—SiF2+2H++ (2–入)eSiF2+2HF—SiF4+H2 SiF4+2HF—H2SiF6 Lehmann这样描述硅溶解过程：开始时表面硅原子全部被氢饱 和。若一个空穴到达表面硅原子处，腐蚀液中的F-在空穴的协助 下可取代Si-F键上的H而形成Si-H键。当该硅原子形成两个Si-F键 就有一个氢分子放出。由于Si-F键的极化作用，Si-Si骨架上的电 荷密度降低，使得该硅原子与骨架相连的Si-Si键容易被F-断开， 最终形成一个SiF4分子游离出去。由于该硅原子被溶解掉，界面 向硅基内部扩展，改变了该处的外电场分布，有利于空穴向表面 运动，从而使单晶硅不断溶解，孔开始生长。对于孔底，电子、 空穴的势能分布遵从半导体/溶液界面的一般规律，空穴可以源源 不断地到达孔底，使孔底硅原子不断溶解掉：而对于孔壁，随着 孔的生长孔壁尺寸变小，生成了纳米量级的硅量子线。
2. 多孔硅的原理
• 多孔硅是一种具有以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构的 新型功能材料， • 其中多孔硅层是由硅构成的孔结构和硅构成的支撑结构组 成的，孔结构由包含大到微米级的大孔和小到纳米级的小 孔的海棉状结构组成。支撑结构的形状及其强度在一定程 度上决定了多孔硅层的孔隙率和孔深度。 • 多孔硅的孔径大小由制备时的相关条件决定，如：蚀刻液 浓度、蚀刻电流密度、蚀刻电流方式、硅片类型、硅片前 处理方式和后处理方式等条件。 • 直至今日，对于多孔硅的形成机理存在争论。不同学者提 出了主要包括研究模型：扩散限制模型、场强化模型、表 面弯曲模型、耗尽层模型和量子限制模型。
1. 硅复合含能材料的提出
自1990年L.T.Canham首次发现了多孔硅的发光性能 后，多孔硅的研究开始引起人们的极大兴趣如在高能多孔 硅含能材料方面的研究. 1992年美国的Bardd教授无意中将浓硝酸滴落到多孔硅 表面时发生了剧烈的爆炸反应,硅被认为是一种活性材料. 后来zarouk等发现多孔硅在空气中的高速氧化 过程表现为燃烧或爆炸. 2007年D.P.Monuko发现以多孔 硅为基体的高能含能材料，其后W.Churaman等又对相关 多孔硅含能材料进行了更为深入的研究。
2. 多孔硅的原理（研究模型）
• 扩散限制模型：Witten和Sander认为，空穴通过扩散运动 到硅表面并参与表面硅原子的氧化反应形成孔，体硅中一 个扩散长度内的空穴不断产生并向Si/HF酸溶液界面扩散， 是维持电化学腐蚀过程不断进行的前提。 • 孔底优先生长是由于空穴的扩散运动是随机的，界面凹陷 处获取空穴的几率最大，所以增强那里的腐蚀并形成正反 馈，孔壁获取空穴的几率较小而溶解减慢直至停止。已用 该模型并利用计算机模拟得到了多孔硅的微结构。 • 耗尽层模型：Beale认为，硅原子在HF酸溶液中被腐蚀掉 需要有空穴参与。多孔硅的费米能级钉扎在禁带中央附近， 硅和HF酸溶液以肖特基形式接触，界面处形成一个耗尽 层。 • Beale假设，阳极氧化反应初始时刻，反应不是在整个表 面同时进行，而是从密布的小孔开始。另外，硅的溶解仅 发生在阳极氧化电流流过的区域。随着反应的进行孔与孔 之间的壁层厚度减小，当壁层厚度小于耗尽层厚度时，壁 层中空穴耗尽致使壁层溶解停止。
基于多孔硅的含能材料研究进展
CONTENTS
1.硅复合含能材料的提出 2.多孔硅的原理 3.多孔硅的应用 4.多孔硅的制备
5.基于多孔硅的含能材料研究
1.硅复合含能材料的提出
目前的含能材料大多为混合物，一般包括氧化剂、可燃 剂和功能添加剂。含能密度的高低一般取决于氧化剂和可 燃剂的固有特性。 多孔硅的含能材料是将硅元素作为此含能材料的可燃剂。 硅是碳的同族元素，理论上较之碳具有更高能量密度，并 且硅较之碳在同等条件下具有更高的化学稳定性。新型含 能材料的研究主要有两个方面。 一是深入研究高能量密度的含能材料 ，如以 C60 、 N60原子簇及以多孔硅为基础的含能材料和ADN氧化剂及 GAP等； 二是基于安全因素和更为广泛的应用的因素，研制具 有较高和可靠的能量释放激活门槛的含能材料。 其中硅在自然界具有极为稳定的存在形态，所以理论上 多孔硅的含能材料在一个宽泛的外界环境和条件下具有较 之基于 C60、N60原子簇等含能材料更为可靠的能量释放 激活门槛。
1. 硅复合含能材料的提出
多孔硅是一种具有以纳米硅原子簇为骨架的海绵状 结构的新型功能材料，它有着极其丰富的形貌特征，而且
与本征硅的性质有很大的差异，如比面积大(102 m2/cm3 )、
电阻率高、生物相容性好等， 基于多孔硅的含能材料具备如下优点： • 一、含能密度较高； • 二、具有较高的能量释放激活门槛。