新型含能材料——多孔硅含能材料.ppt

多孔硅的含能材料 作者 CONTENTS 1.硅复合含能材料的提出 2.多孔硅的原理 4.多孔硅的制备 5.基于多孔硅的含能材料研究 1.硅复合含能材料的提出 目前的含能材料大多为混合物，一般包括氧化剂、可燃剂和功能添加剂。 多孔硅的含能材料是将硅元素作为此含能材料的可燃剂。硅是碳的同族元素，理论上较之碳具有更高能量密度，并且硅较之碳在同等条件下具有更高的化学稳定性。 新型含能材料的研究主要有两个方面: 一是深入研究高能量密度的含能材料，如以C60、N60原子簇及以多孔硅为基础的含能材料和ADN氧化剂及GAP等； 二是基于安全因素和更为广泛的应用的因素，研制具有较高和可靠的能量释放激活门槛的含能材料。 其中硅在自然界具有极为稳定的存在形态，所以理论上多孔硅的含能材料在一个宽泛的外界环境和条件下具有较之基于C60、N60原子簇等含能材料更为可靠的能量释放激活门槛。 1. 硅复合含能材料的提出 多孔硅是一种具有以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构的新型功能材料，它有着极其丰富的形貌特征，而且与本征硅的性质有很大的差异，如比面积大(102 m2/cm3 )、电阻率高、生物相容性好等， 基于多孔硅的含能材料具备如下优点： 一、含能密度较高； 二、具有较高的能量释放激活门槛。 1. 硅复合含能材料的提出 近年来人们发现多孔硅能够成为燃烧反应材料根据测量燃烧反应的时间尺度在毫秒量级。 在低温液氧多孔硅氧化炸药的爆炸中约有1000次的高速反应。后来另一种多孔硅固体合成系统展示了在室温下的爆炸操作。 多孔硅的特殊形态极大地增加了关键爆炸反应的氧化反应速率和在限定空间内可能的关键爆炸反应次数。 2. 多孔硅的原理 多孔硅是一种具有以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构的新型功能材料。 其中多孔硅层是由硅构成的孔结构和硅构成的支撑结构组成的，孔结构由包含大到微米级的大孔和小到纳米级的小孔的海棉状结构组成。支撑结构的形状及其强度在一定程度上决定了多孔硅层的孔隙率和孔深度。 多孔硅的孔径大小由制备时的相关条件决定，如：蚀刻液浓度、蚀刻电流密度、蚀刻电流方式、硅片类型、硅片前处理方式和后处理方式等条件。 直至今日，对于多孔硅的形成机理存在争论。不同学者提出了主要包括研究模型：扩散限制模型、场强化模型、表面弯曲模型、耗尽层模型和量子限制模型。 2. 多孔硅的原理 研究模型： 扩散限制模型：Witten和Sander认为，空穴通过扩散运动到硅表面并参与表面硅原子的氧化反应形成孔，体硅中一个扩散长度内的空穴不断产生并向Si/HF酸溶液界面扩散，是维持电化学腐蚀过程不断进行的前提。 耗尽层模型：Beale认为，硅原子在HF酸溶液中被腐蚀掉需要有空穴参与。多孔硅的费米能级钉扎在禁带中央附近，硅和HF酸溶液以肖特基形式接触，界面处形成一个耗尽层。 2. 多孔硅的原理（研究模型） 量子限制模型：一般认为，单晶硅的溶解反应方程式为： Si+2HF+入h+—SiF2+2H++ (2–入)e- SiF2+2HF—SiF4+H2 SiF4+2HF—H2SiF6 硅溶解过程：开始时表面硅原子全部被氢饱和。若一个空穴到达表面硅原子处，腐蚀液中的F-在空穴的协助下可取代Si-F键上的H而形成Si-H键。当该硅原子形成两个Si-F键就有一个氢分子放出。由于Si-F键的极化作用，Si-Si骨架上的电荷密度降低，使得该硅原子与骨架相连的Si-Si键容易被F-断开，最终形成一个SiF4分子游离出去。 2. 多孔硅的原理（研究模型） 由于量子限制效应，使硅量子线中的带隙展宽，对空穴来说造成了一个附加的势垒Eq，不利于空穴到达多孔层（体硅中空穴的能量需要大于Eq才能进入硅量子线），导致多孔层空穴耗尽，从而硅量子线的溶解停止。而此时只有孔底优先生长，从而形成“海绵”状（Quantum Sponge）多孔结构—多孔硅。这是一个由于量子尺寸效应导致的自限制（self-limited）过程。 湿法刻蚀 电化学腐蚀法 水热腐蚀法 光化学腐蚀法 4. 多孔硅的制备 多孔硅按照孔径划分可分为微孔多孔硅（2 nm）、介孔多孔硅（2~50 nm）和大孔多孔硅（50 nm）三种类型。多孔硅的制备主要使用的是利用腐蚀溶液作用的湿法刻蚀 4. 多孔硅的制备 电化学腐蚀法是多孔硅制备中使用最早也最为广泛的一种。 此方法是在氢氟酸和乙醇的混合溶液中对硅片施加低于电抛光的电流密度的电流从而获得多孔硅的方法。在该方法中使用铂电极或石墨作