基于光生物传感器的纳米多孔硅的制备与特性研究

摘要

多孔硅材料具有大的比表面积，对生物和化学分子有很强的吸附能力，而且纳米多孔硅对生物组织具有低毒性和共生性，生物组织对其兼容，易于集成和微型化。由于纳米多孔硅制作工艺简单，成本低，加上多方面的优势，使其成为光生物、化学传感器的理想材料。
　　 目前，多孔硅的研究主要集中在多孔硅制备、微结构表征、化学成分分析、多孔硅发光机理和特性探索、以及多孔硅应用等几个方面。已有的研究表明，多孔硅的微观结构及其发光性质取决于其制备工艺和条件，对多孔硅制备方法和工艺的研究是促进多孔硅实现应用的基本途径。因此，开展纳米多孔硅的制备与特性研究具有重要的科学意义。
　　 本文采用电化学腐蚀的方法制备多孔硅。利用扫描电镜(SEM)及轮廓仪对其微观结构，如孔的形状，大小，厚度等进行分析。研究了腐蚀电流密度、腐蚀时间、硅片电阻率对多孔硅的表面形貌、孔隙率、厚度、Ⅰ-Ⅴ特性及折射率的影响。通过研究发现：
　　 1.多孔硅的孔隙率随腐蚀电流密度、腐蚀时间的增大而近似呈线性增大趋势；低电阻率的硅片(p为0.005～0.008Ω.cm)所制得的多孔硅的孔隙率要高于高电阻率的硅片(p为0.01Ω.cm)。多孔硅的孔隙率与腐蚀电流密度、硅片电阻率密切相关，而与腐蚀时间关系不大。
　　 2.随着多孔硅孔隙率的增加，其折射率随之降低，呈现反比趋势。利用这种反比关系，可以通过控制孔隙率来调制折射率，制备出适用于不同条件的多孔硅光波导器件。
　　 3.所制得的多孔硅表面呈较均匀的树枝状结构，孔径约为15～25nm。随着腐蚀电流密度，腐蚀时间的增加，多孔硅的孔径随之增大，受腐蚀电流密度影响较大。
　　 4.多孔硅的厚度随腐蚀电流密度、腐蚀时间的增加而增大，但其随腐蚀时间的变化较为明显。低电阻率的硅片(p为0.005～0.008Ω.cm)所制得的多孔硅的厚度要高于高电阻率的硅片(p为0.01Ω.cm)。多孔硅厚度与腐蚀时间、硅片电阻率密切相关，而与腐蚀电流密度关系不大。
　　 5.多孔硅Ⅰ-Ⅴ特性表现出非整流的欧姆接触。在相同腐蚀时间下，随着腐蚀电流密度的增加，电阻呈先减小后增大趋势。在相同腐蚀电流密度下，随着腐蚀时间的增加，电阻呈增大趋势。