一维多孔硅光子晶体的光学特性及传感研究

摘要

多孔硅作为一种新型的功能材料，近年来，由于其独特的形貌结构和巨大的比表面积受到了传感领域的高度重视。早期的传感技术主要是利用多孔硅电学特性的变化来实现对气体浓度的探测，但由于电学接触易引发爆炸和火灾，所以对于易燃易爆有机蒸汽，基于多孔硅光学特性的传感技术更具应用价值。 本文首先从多孔硅材料的物理学基础入手，给出了多孔硅光学常数的定义，利用Kramers-Kroning关系说明了光学常数之间的联系；阐述了理论和实验方法确定多孔硅光学常数的基本原理，数值模拟了多孔硅光学常数光谱图。 然后，将光子晶体的概念引入多层多孔硅结构，在一维光子晶体传输矩阵方法的基础上，研究了三种典型结构的一维多孔硅光子晶体的光学传输特性，利用Matlab仿真的方法，并讨论了光子晶体结构参数、入射角以及缺陷层引入方式对光子晶体反射特性的影响，得到一些有用的结论，为以后设计多孔硅光子器件以及光学传感器件提供了重要的理论基础。 接着，深入研究了有机蒸汽分子在多孔硅材料中的吸附特性，根据吸附等温线的迟滞性，确定毛细冷凝为其主要的吸附机制；提出两种有机蒸汽分子在多孔硅光子晶体结构中的渗透模型，并证实了均匀吸附模型的正确性。在此基础上，以一维多孔硅光子晶体中的单微腔结构作为研究对象，建立其有机蒸汽传感理论模型，并进行了Matlab数值模拟。 最后，对实验参数进行正交优化，采用脉冲电化学腐蚀方法制备多孔硅微腔样品；设计了多孔硅微腔的实验传感系统，以几种易燃易爆有机蒸汽作为测试对象，对有机蒸汽种类、乙醇蒸汽浓度以及传感响应特性进行了实验研究，从实验角度证明了多孔硅微腔可作为一种新型的光学传感器实现对蒸汽类别和浓度的探测。 总之，基于光学特性的多孔硅传感技术是一种非接触式测量方法，具有高灵敏度、低损耗、响应快、重复性好、防电磁干扰、安全可靠等优点。

目录

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第1章绪论

1.1多孔硅材料及其研究进展

1.1.1多孔硅材料概述

1.1.2多孔硅材料的制备方法与后处理技术

1.1.3多孔硅材料的基本特性

1.1.4多孔硅光子晶体简介

1.2研究多孔硅材料传感技术的重要性

1.3课题的目的及意义

1.3.1课题的意义

1.3.2多孔硅材料传感技术的国内外研究现状

1.3.3多孔硅材料在实际应用中存在的问题

1.4课题研究的主要内容

第2章多孔硅材料光学特性的理论基础

2.1多孔硅材料的半导体物理学基础

2.1.1光学常数的定义

2.1.2光学常数之间的关系

2.2多孔硅材料光学常数的计算方法

2.2.1有效介电常数近似理论

2.2.2光学常数的实验确定方法

2.2.3多孔硅材料光学常数曲线

2.3本章小结

第3章一维多孔硅光子晶体的光学特性研究

3.1一维光子晶体的传输矩阵理论

3.1.1一维光子晶体模型

3.1.2一维传输矩阵模型

3.2一维多孔硅光子晶体的光学特性研究

3.2.1一维多孔硅光子晶体的传输矩阵方法

3.2.2多孔硅Bragg反射镜的光学特性

3.2.3多孔硅微腔的光学特性

3.2.4一维多孔硅光子量子阱结构的光学特性

3.3本章小结

第4章多孔硅微腔蒸汽传感理论模型

4.1多孔硅材料的蒸汽吸附机制

4.1.1多孔材料的气体吸附机理

4.1.2单层多孔硅薄膜的蒸汽吸附模型

4.1.3多层多孔硅结构的蒸汽吸附模型

4.2多孔硅微腔的可制备性与可调制性原理

4.3多孔硅微腔理论传感模型的建立

4.3.1多孔硅层有效折射率的确定

4.3.3多孔硅微腔传感模型的理论模拟

4.4本章小结

第5章多孔硅微腔传感特性的实验研究

5.1多孔硅微腔的制备实验

5.1.1正交实验法优化制备条件

5.1.2脉冲电化学腐蚀法制备多孔硅微腔

5.1.3多孔硅微腔的结构表征

5.2多孔硅微腔蒸汽传感实验系统的设计

5.2.1多孔硅微腔反射谱测量系统的设计

5.2.2有机物蒸汽浓度配制系统的设计

5.2.3多孔硅微腔传感系统的原理图

5.3多孔硅微腔传感特性实验

5.3.1有机物蒸汽种类辨别实验

5.3.2有机物蒸汽浓度测量实验

5.3.3时间变化反射谱测量实验

5.3.4传感响应测试实验

5.4实验结果的处理

5.4.1实验数据的处理和标定

5.4.2误差分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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