论文部分内容阅读
硅微纳结构材料以其独特的物理和化学性质，在太阳能电池、探测器、生物仿生、半导体照明、电子器件等许多领域都显示出巨大的应用潜力，作为性能优异的功能材料，已引起了国内外学者的极大关注。本文围绕硅微纳结构，按从材料的选择、设计、可控制备与表征、到优化、再到器件实现的研究思路，探索并实现了:多种硅微纳结构的制备、硅微纳结构的剥离与转移、简单柔性器件的制备、仿生粘附力的提升以及爬壁机器人样机的负重爬行。论文取得的主要结果如下: 一、提出有序Ag网膜制备方法。利用聚苯乙烯球为模板，采用溶液生长法，通过分别控制和优化两步沉积法中溶液组分的配比，反应时间及温度，制备出了大面积均匀的带有有序微纳米孔阵列的致密Ag金属网膜。该金属网膜可作为下一步刻蚀有序硅微纳阵列的催化剂。 二、实现硅微纳结构及其复合材料的结构调控。通过金属辅助湿法化学蚀刻技术，分别制备了微纳米线、微纳米孔、微纳米墙、金字塔/纳米线复合结构等多种硅微纳结构，并且通过改变实验条件，实现了结构参数的调控;借助于水浴沉积或喷涂的方法，分别制备了硅与硫化锑、硅胶、聚苯乙烯等材料的微纳复合结构。研究结果表明所获得的硅微纳结构，具有增强的抗可见光反射效果，可见光反射率从硅片的40％左右降到5％以下;硅与硫化锑的复合结构具有优异的光电转换效果。 三、提出Ag辅助氨水刻蚀方法，获得柔性硅纳米线阵列结构的制备及无损伤转移技术。利用氨水溶液对硅及二氧化硅的蚀刻速率不同，以二氧化硅作为保护层，银催化氨水蚀刻的方法制备出大面积自动与衬底脱离的硅纳米阵列结构。实验中发现，银的存在对于氨水蚀刻硅的速率有着很大的催化作用。硅纳米阵列结构可以非常容易地转移到具有一定粘性的衬底上。转移后的纳米线阵列结构表现出增强的陷光性，10微米厚的阵列薄膜即可吸收90％以上的可见光（普通硅片需要100微米以上才可以吸收同样的量的可见光）。通过聚苯乙烯绝缘作用，制备出了两端具有直接欧姆接触的柔性电子器件，为制备其他柔性器件打下了基础。 四、获得柔性粘附结构的制备技术并实现爬行机器人样机的负重爬行。利用聚苯乙烯微球阵列复形、内嵌硅纳米线结构阵列的等离子体蚀刻或氢氟酸蚀刻、硅纳米阵列复形等一系列方法，制备了多种柔性的表面带有不同微纳结构的硅胶（或聚氨酯）薄膜。系统研究了表面微纳化的硅胶（聚氨酯）薄膜的粘附力与结构参数的相关性，以及随时间的演化规律。通过硅纳米线阵列复形技术制备的表面具有随机凸包阵列分布的硅胶（聚氨酯）薄膜的粘附力最强达20N/cm2以上。成功地实现了柔性粘附结构在履带式爬行机器人样机上的应用，并且可负载200g以上重量的垂直与100g以上重量的悬吊爬行。