SiO2氣凝膠薄膜的結(jié)構(gòu)控制及應(yīng)用研究.pdf

1、多孔SiO2氣凝膠薄膜具有與氣凝膠塊材相同的納米級(jí)孔洞、高孔隙率和高比表面積等結(jié)構(gòu)特征，因此其同樣具有低熱導(dǎo)率、低聲速、低介電常數(shù)和折射率可調(diào)等性能特點(diǎn)。同時(shí)，由于薄膜特有的與微電子器件兼容性高、方便大面積制備以及易轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)，使其能夠與傳統(tǒng)的硅基工藝集成。因此， SiO2氣凝膠薄膜在微電子器件與微加工領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，目前已被廣泛應(yīng)用在聲阻抗匹配器件、非制冷紅外器件、有機(jī)發(fā)光二極管和半導(dǎo)體器件中。然而，常規(guī)的溶膠凝膠法制備氣凝膠

2、過(guò)程復(fù)雜、緩慢，而氣凝膠本身機(jī)械強(qiáng)度差，結(jié)構(gòu)可控性差，易受潮。這些因素成為了限制其更廣泛應(yīng)用的主要原因。針對(duì)SiO2氣凝膠薄膜在制備過(guò)程中和應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。通過(guò)對(duì)溶膠凝膠法制備SiO2氣凝膠薄膜過(guò)程的研究，成功制備出具有不同厚度的單層和多層 SiO2氣凝膠薄膜。了解了不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響和前驅(qū)體粘度對(duì)成膜質(zhì)量的影響等問(wèn)題。通過(guò)瞬態(tài)熱絲法測(cè)試和ANSYS仿真了解了薄膜的絕熱性能。在不同厚度的 SiO2氣凝膠薄膜表面分

3、別制備出熱釋電紅外探測(cè)器，通過(guò)對(duì)器件性能的對(duì)比驗(yàn)證了薄膜良好的絕熱能力。隨后采用全集成工藝在 SiO2氣凝膠薄膜表面進(jìn)行了熱釋電紅外探測(cè)器陣列制備的探索并成功在單片上制作出具有不同敏感元面積的熱釋電紅外探測(cè)器小陣列器件，并驗(yàn)證了敏感元探測(cè)性能的一致性。針對(duì)SiO2氣凝膠薄膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性的應(yīng)用進(jìn)行了探究。利用它作為納米模板，成功制備出亞微米尺寸的阻變存儲(chǔ)器點(diǎn)陣。通過(guò)電學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征等手段對(duì)該存儲(chǔ)器性能進(jìn)行了分析和討論，對(duì)其導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行

4、了深入探究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用多步催化的方法，制備出具有較高孔隙率（>90％）的二氧化硅氣凝膠薄膜，研究了不同催化劑對(duì)溶膠液反應(yīng)速率的影響。通過(guò)控制前驅(qū)體粘度和勻膠參數(shù)，制備出厚度（300nm-1000nm）、表面形貌、折射率（1.04-1.18）不同的薄膜。通過(guò)表面處理工藝，在常壓干燥下得到具有良好疏水性的氣凝膠薄膜，解決了其易受潮的問(wèn)題。隨后通過(guò)瞬態(tài)熱絲法測(cè)得該薄膜具有超低的熱導(dǎo)率（0.032W/mK），通過(guò)AN

5、SYS軟件模擬了器件的縱向熱傳導(dǎo)問(wèn)題，認(rèn)為800nm左右的SiO2氣凝膠薄膜具有良好的絕熱效果。⑵利用氣凝膠優(yōu)異的絕熱性能，在其表面制備出具有良好探測(cè)性能的熱釋電紅外傳感器單元。期間解決了集成化工藝中所遇到的如多層結(jié)構(gòu)制備困難、探測(cè)率性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。對(duì)比了不同厚度氣凝膠上制備的熱釋電紅外探測(cè)器的探測(cè)性能，發(fā)現(xiàn)780nm的SiO2氣凝膠薄膜上制備的探測(cè)器性能最優(yōu)，驗(yàn)證了780nm的二氧化硅氣凝膠薄膜能夠起到良好的絕熱作用。隨后在 SiO

6、2氣凝膠薄膜表面制備出敏感元面積不等的熱釋電紅外探測(cè)器小陣列。期間通過(guò)引入平坦層的方法解決了氣凝膠表面粗糙度問(wèn)題。以上電極為掩膜，通過(guò)濕法腐蝕方法解決了熱釋電復(fù)合材料的圖形化問(wèn)題。之后對(duì)不同面積的探測(cè)器單元的探測(cè)性能進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了不同面積的敏感元探測(cè)性能的一致性。⑶利用氣凝膠孔洞結(jié)構(gòu)可調(diào)控和易在不同基片上成膜的特性，將具有規(guī)則亞微米級(jí)孔洞的氣凝膠作為模板，制備出性能優(yōu)異的阻變存儲(chǔ)器單元和點(diǎn)陣。得到的阻變存儲(chǔ)器件具有規(guī)則的圓柱形結(jié)構(gòu)，