基于硅微通道板的新型三维传感器

论文摘要

三维结构材料的制备和应用已经引起人们极大关注,而硅基三维结构材料更是因为具有与传统集成电路工艺的兼容性以及与体材料相比所具备的独特物理与化学特性,成为制备微型电化学传感与能源器件最理想的材料。本文以电化学刻蚀技术制备的硅基微通道板为基础,开展了如下几个方面的研究工作：1.论文首先介绍了利用光辅助电化学刻蚀技术制备硅基微通道板的方法。工艺中实验参数如刻蚀溶液浓度,光照,偏压和温度也被进一步优化。在选定条件下制得的硅基微通道样品具备良好表面形貌,大的比表面积和高深宽比,并可以和衬底自分离,可作为新型三维材料应用于各个领域。2.基于竖直排列的镀镍硅基微通道板和在其表面沉积的高度分散的钯纳米粒子,制备了一种高灵敏度的电流型乙醇电化学传感器。钯修饰的镀镍硅基微通道板电极的表面形貌由扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射图样（XRD）表征分析。钯/镍/硅基微通道板电极对乙醇的电化学探测性能通过循环伏安法和电流测定法进行研究。这种具备三维结构的电极对于乙醇在0.10 mol L-1的氢氧化钾溶液中的氧化具有很高的催化活性。在-0.10 V的测量电位下,钯/镍/硅基微通道板电极显示了很高的灵敏度,可以达到0.992 mA mM-1 cm-2,计算得到的检测下限为16.8μM。检测线性范围高达60mmolL-1线性相关系数为0.998。它同时还具有良好的电催化性能,快速响应以及高稳定性和可重复性。3.利用电化学方法制备了过氧化聚吡咯修饰的钯/镍/硅微通道板电极,并应用于葡萄糖传感器,具备相当多的突出优势,例如较高的灵敏度,良好的稳定性和重复性以及快速响应。过氧化聚吡咯薄膜的修饰提高了传感器的选择性,并有效抑制了常见干扰物质如尿酸和抗坏血酸氧化所引起的干扰信号。在+0.08 V的电压下,可以获得0.37 mA mM-1 cm-2的高灵敏度,检测下限为2.06μM。线性检测的浓度范围为1 mM到24 mM,线性相关系数为0.997。此外,由于修饰了过氧化聚毗咯薄膜,有效抑制了常见干扰物质如尿酸和抗坏血酸所引起的干扰信号,因此所制备的电极具有很强的抗干扰能力。这种新型电极在葡萄糖的非酶检测方面具有巨大的潜力。4.本部分首先研究了燃料电池的现状和存在的主要问题,利用制备好的硅基微通道开发新型乙醇燃料电池。三维阵列中合适的通道尺寸和高多孔度增加了活性点位,增强了反应物和产物的质量输运,因此,能够加速快速电子转移,改善催化效率。在钯/镍/硅基微通道板上,乙醇的氧化电压负移,并且峰值电流密度高于平面的钯/镍/硅结构。这些结果显示了微通道结构在增强乙醇氧化活性方面的重要作用。利用计时电流法评估了钯/镍/硅基微通道板的稳定性。分别研究不同氢氧化钾浓度和不同乙醇浓度下电极对乙醇氧化的催化特性,并探讨了反应机制,为构建高功率的直接乙醇燃料电池提供了有益的基础性工作。5.电化学刻蚀技术不只可以用来制备硅基微通道板,还可以制备具有设定深度的多孔硅结构,并通过扩散形成三维PN结。三维PN结可用作新型能量转换装置,广泛适用于高能物理,洁净能源,以及材料测试。利用阳极氧化的电化学刻蚀是一种非常优良的构造三维PN结的方法。然而,P型硅相邻两个孔之间的孔壁厚度往往太薄,难以适应随后扩散的技术需求。在本部分中,脉冲电流被用于制造理想的具有较厚的侧壁的P型微结构。基于该新颖结构的三维PN结在光伏能量转换方面具有极大的潜力。通过将三维PN结应用在太阳能电池中,光子可以得到再次吸收的机会。因此,电学参数例如输出电流和能量转换效率可以被大大改善。这一理论的可行性通过Matlab仿真结果验证。而且常见的加工工艺使得这一制备技术无论在实验室还是在工业上都能得到广泛应用,因此这是一种不需要额外添加投资而获得更高效率的有效方法。综上所述,利用电化学刻蚀技术制备的硅基微通道板构成的电极具有优良的催化性能和稳定性,在电化学传感器和燃料电池中具有相当大的应用潜力,对发展可集成的新型器件具有重要意义。而同样利用电化学刻蚀方法得到的三维PN结也为新型太阳能电池的开发打下了良好的基础,为微电子机械系统加工技术在能源和传感器领域的应用提供了全新的切入点。具有一定的创新性和科研价值,它的产业化必将带来巨大的社会和经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微电子机械系统概述
• 1.1.1 微电子机械系统简介
• 1.1.2 MEMS构建材料分类
• 1.1.3 MEMS加工技术
• 1.1.4 MEMS应用与研究进展
• 1.1.5 基于MEMS技术的硅材料加工
• 1.2 微通道结构概述
• 1.2.1 微通道结构简介
• 1.2.2 微通道结构的应用
• 1.2.3 微通道研究的最新进展
• 1.2.4 硅基微通道表面修饰
• 1.3 电化学传感器概述
• 1.3.1 电化学传感器的发展趋势
• 1.3.2 三维电化学传感器研究进展
• 1.3.3 硅基微通道在三维电化学传感器应用中的优势
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 本文的研究意义
• 本章参考文献
• 第二章 硅基微通道板的制备
• 2.1 硅基微通道的制作原理
• 2.1.1 多孔硅的形成机理
• 2.1.2 微通道结构的形成原理
• 2.2 硅基微通道板的制备过程
• 2.2.1 硅基微通道板制备的工艺流程
• 2.2.2 电化学刻蚀的实验装置
• 2.2.3 光辅助电化学刻蚀的实验条件
• 2.2.4 硅基微通道板的表征
• 2.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 基于钯/镍/硅基微通道电极的乙醇电化学传感器
• 3.1 乙醇传感器概述
• 3.1.1 传统的乙醇检测方法
• 3.1.2 常见乙醇传感器分类
• 3.1.3 乙醇电化学传感器工作原理
• 3.1.4 硅基微通道板在乙醇电化学传感器中的作用
• 3.2 钯/镍/硅基微通道板电极的制备
• 3.2.1 化学药品与原料
• 3.2.2 硅基微通道板的制备
• 3.2.3 制备镍/硅基微通道板电极
• 3.2.4 制备钯/镍/硅基微通道电极
• 3.3 基于钯/镍/硅基微通道板电极的乙醇传感器性能表征
• 3.3.1 实验所需仪器设备
• 3.3.2 钯/镍/硅基微通道板电极的表面形貌特性
• 3.3.3 传感器对乙醇的电催化氧化性能
• 3.3.4 基于钯/镍/硅基微通道板电极的乙醇传感器的灵敏度和线性度
• 3.3.5 基于钯/镍/硅基微通道板电极的乙醇传感器的重复性和稳定性
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 基于硅基微通道板的新型无酶葡萄糖传感器
• 4.1 葡萄糖传感器概述
• 4.1.1 基于氧化酶的葡萄糖生物传感器
• 4.1.2 无酶葡萄糖电化学传感器的发展
• 4.2 聚吡咯概述
• 4.2.1 聚吡咯的制备和掺杂方法
• 4.2.2 聚吡咯的性质
• 4.2.3 聚吡咯的应用
• 4.3 基于硅基微通道板的新型无酶葡萄糖传感器电极的制备和表征
• 4.3.1 化学药品和材料
• 4.3.2 硅基微通道板的制备
• 4.3.3 镍/硅基微通道板的制备
• 4.3.4 钯/镍/硅基微通道板的制备
• 4.3.5 聚吡咯修饰的钯/镍/硅基微通道板的制备
• 4.3.6 聚毗咯修饰的钯/镍/硅基微通道板电极的表征
• 4.4 基于硅基微通道板的新型无酶葡萄糖传感器的性能
• 4.4.1 实验药品和电化学测量仪器
• 4.4.2 过氧化聚吡咯修饰的钯/硅基微通道板电极对葡萄糖的电催化氧化
• 4.4.3 基于硅基微通道板的新型无酶葡萄糖传感器的灵敏度和线性度
• 4.4.4 聚吡咯薄膜在消除干扰方面的作用
• 4.4.5 基于硅基微通道板的新型无酶葡萄糖传感器的重复性和稳定性
• 4.4.6 血清样品中的葡萄糖检测
• 4.5 实验条件对基于硅基微通道板的新型无酶葡萄糖传感器的影响
• 4.5.1 催化剂负载量对电极性能的影响
• 4.5.2 聚吡咯膜厚度对电极性能的影响
• 4.5.3 聚吡咯过氧化处理过程对电极性能的影响
• 4.5.4 检测介质PH值对电极性能的影响
• 4.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 钯/镍/硅基微通道结构应用于燃料电池
• 5.1 燃料电池概述
• 5.1.1 燃料电池的工作原理
• 5.1.2 燃料电池的分类
• 5.1.3 燃料电池的特点
• 5.2 直接乙醇燃料电池概述
• 5.2.1 质子交换膜燃料电池研究进展
• 5.2.2 直接甲醇燃料电池面临的问题
• 5.2.3 直接乙醇燃料电池的工作原理
• 5.3 钯/镍/硅基微通道板电极对乙醇氧化活性的研究
• 5.3.1 钯/镍/硅基微通道板电极乙醇催化氧化的促进作用
• 5.3.2 钯/镍/硅基微通道板电极的电化学活性表面面积计算
• 5.3.3 钯/镍/硅基微通道板电极的稳定性
• 5.4 钯/镍/硅基微通道板电极性能的影响因素
• 5.4.1 钯/镍/硅基微通道板电极催化氧化乙醇的最终产物分析
• 5.4.2 乙醇浓度的影响
• 5.4.3 氢氧化钾浓度的影响
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 三维P-N结及其在改进太阳能电池效率上的应用
• 6.1 太阳能电池概述
• 6.1.1 太阳能电池工作原理
• 6.1.2 太阳能电池的分类
• 6.1.3 硅基太阳能电池的制备
• 6.1.4 提高太阳能电池效率的措施
• 6.2 三维P-N结概述
• 6.2.1 三维P-N结简介
• 6.2.2 三维P-N结的制备
• 6.2.3 三维P-N结的电学性能表征
• 6.2.4 三维P-N结制备工艺的改进
• 6.3 三维P-N结用于太阳能电池的理论模拟
• 6.3.1 量子效率
• 6.3.2 光生电流
• 6.3.3 等效电路和电学特性模拟
• 6.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 应用展望
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢