应用于生物传感器的硅基有序多孔硅的研究

摘要

硅基多孔硅是一种新型的传感器基体材料。由于其具有较高的比表面积、可调谐的光学结构、高的表面化学活性以及制备工艺简单等优点，近年来作为新型传感器的基体材料得到广大研究者的极大关注，尤其是其还具有较好的生物兼容性，而且能与现有的集成电路硅工艺兼容，因此基于硅基多孔硅的光学生物传感器被广泛的研究。多孔硅的微观形貌结构（比如孔径、孔隙率、层厚等）以及其光学性能主要依赖于其制备工艺参数，因此对多孔硅制备工艺的研究是解决多孔硅在传感器技术中实际应用问题的重要途径。
　　本论文主要是利用电化学方法在n型单晶硅上得到硅基纳米有序多孔硅，探讨研究了腐蚀液组成、电流密度、腐蚀时间等对多孔硅微观形貌结构的影响规律;并通过研究得到消除多孔硅表面小孔硅问题的解决方案;研究了多孔硅基于法布里-珀罗干涉效应的光学性能。具体内容如下:
　　(1)采用乙醇和异丙醇做腐蚀液的溶剂，分别制备出了介孔多孔硅和宏孔多孔硅;研究了电流密度和腐蚀时间对多孔硅微观形貌的影响，随着电流密度的增大，多孔硅的孔径、孔隙率和层厚均增大;延长腐蚀时间，多孔硅的孔径几乎没有变化，层厚与腐蚀时间成正比例关系;
　　(2)基于法布里-珀罗效应，制备得到的多孔硅样品进行光学测试，结果表明，多孔硅层厚小于10μm时，展现出较好的干涉效应;孔隙率大于75％，样品对酒精溶液表现出较高的灵敏度;
　　(3)研究出有效解决消除多孔硅样品顶端的小孔硅的方案;利用快速热处理系统，研究了温度制度对多孔硅表面化学状态的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 生物传感器概述

1．1．1 生物传感器

1．1．2 生物传感器研究进展

1．1．3 生物传感器待解决的问题

1．2 多孔硅生物传感器

1．2．1 多孔硅简介

1．2．2 多孔硅生物传感器

1．2．3 多孔硅生物传感器的研究进展

1．3 本文研究目标及研究内容

第2章 相关理论与实验过程

2．1 多孔硅的制备

2．1．1 水热腐蚀法

2．1．2 化学浸蚀法

2．1．3 电化学腐蚀法

2．2 多孔硅的形成机理

2．2．1 Beale耗尽模型

2．2．2 载流子扩散限制模型

2．2．3 量子限制模型

2．3 多孔硅的微观形貌结构与表面化学状态的表征技术

2．3．1 场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征手段

2．3．2 原子力显微镜(AFM)表征手段

2．3．3 傅里叶红外光谱(FTIR)表征手段

2．4 法布里-珀罗干涉光谱测试

2．4．1 基于法布里-珀罗干涉效应的光学检测原理

2．4．2 多孔硅法布里-珀罗薄膜的光学检测系统

第3章 介孔多孔硅法布里-珀罗干涉薄膜的制备及光学性能研究

3．1 介孔多孔硅法布里-珀罗干涉薄膜的制备

3．1．1 硅片的表面洁净

3．1．2 双槽电化学发法制备多孔硅

3．2 介孔多孔硅微观形貌结构

3．2．1 介孔多孔硅的微观形貌分析

3．2．2 质量分析法表征多孔硅样品的孔隙率

3．3 介孔多孔硅的法布里-珀罗干涉光谱

3．4 本章小结

第4章 宏孔多孔硅法布里-珀罗干涉薄膜的制备及光学性能研究

4．1 宏孔多孔硅法布里-珀罗干涉薄膜的制备

4．1．1 宏孔多孔硅的制备工艺参数

4．1．2 多孔硅的热处理工艺

4．2 宏孔多孔硅的微观形貌结构以及表面化学状态

4．2．1 宏孔多孔硅的微观形貌结构

4．2．2 宏孔多孔硅形成机理

4．2．3 宏孔多孔硅的孔隙率和腐蚀速率

4．2．4 FTIR表征宏孔多孔硅的表面化学状态

4．3 宏孔多孔硅的法布里-珀罗干涉光谱

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢