多孔硅表面狀態(tài)與含能特性研究.pdf

1、多孔硅(PS)是近年來(lái)引起廣泛關(guān)注的一類新材料，由于具有比表面積大、化學(xué)活性高、可光致發(fā)光和電致發(fā)光、能低溫爆炸與常溫爆炸等特性，在光電子學(xué)和集成電子技術(shù)以及含能材料等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用前景。研究顯示，由特定制備工藝腐蝕硅片表面所產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)、特別是其中納米尺寸的孔硅層起著關(guān)鍵的作用。研究這一特殊表面層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以及它與被吸附原子、分子、原子簇之間的相互作用，是解開PS爆炸性能和許多其他特殊性質(zhì)的關(guān)鍵。 本文從上述考慮出發(fā)，從理論

2、上探索多孔硅表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與宏觀性質(zhì)、主要是含能特性之間的關(guān)系。研究采用模型化學(xué)的方法，先根據(jù)已有的理論背景和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出適當(dāng)模型以模擬多孔硅的表面結(jié)構(gòu)，再應(yīng)用量子化學(xué)的理論與方法(主要是基于HFR方程的從頭計(jì)算法)進(jìn)行計(jì)算分析。本文先后對(duì)由不同數(shù)目硅原子組成的量子點(diǎn)模型、一維量子線模型和二維網(wǎng)狀模型，以及分別吸附有氫原子、氫分子、氧原子、氧分子、硝酸根、高氯酸根或聯(lián)合吸附一種以上物質(zhì)的模型進(jìn)行了計(jì)算，考察了各模型吸附前后的電子狀態(tài)、能

3、隙、原子電荷、鍵強(qiáng)等因素，還計(jì)算了可能產(chǎn)生的硅氫化合物的紅外光譜。結(jié)果表明，各類模型能隙的相對(duì)變化大都能體現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)，表面化學(xué)吸附會(huì)在一定程度上使這一效應(yīng)得到加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的光譜躍遷可從單晶硅(塊體)的紅外區(qū)藍(lán)移到可見光區(qū)，這種趨勢(shì)與多孔硅的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相一致，也為解釋多孔硅發(fā)光的量子限制模型提供了支持。對(duì)各類吸附模型的計(jì)算表明，除氫分子不能在表面形成有效的化學(xué)吸附外，其余所考察物質(zhì)都能通過化學(xué)吸附對(duì)多孔硅的微觀狀態(tài)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為各原子

4、上電荷密度的重新分配，電子向吸附鍵的轉(zhuǎn)移，削弱了表面硅原子與更內(nèi)層硅之間的鍵強(qiáng)，也削弱了被吸附分子的某些化學(xué)鍵，使它們更容易斷裂。由于納米結(jié)構(gòu)表面與吸附物質(zhì)之間這種相互作用的結(jié)果，可能短期內(nèi)在近表面層產(chǎn)生許多高活性物質(zhì)，這些物質(zhì)包括硅氫、硅氧化合物或分子片、甚至有瞬間斷裂的原子氫、原子氧和硅原子簇。對(duì)新制備的表面，這些活性物質(zhì)尚未被氧化或逃逸，可以達(dá)到一定的濃度。當(dāng)遇到火花或電流，就可能引發(fā)劇烈的氧化反應(yīng)，瞬間釋放出大量的能量。簡(jiǎn)言之，