多孔硅表面狀態(tài)與含能特性研究.pdf

1、多孔硅(PS)是近年來引起廣泛關注的一類新材料，由于具有比表面積大、化學活性高、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，在光電子學和集成電子技術以及含能材料等領域有潛在應用前景。研究顯示，由特定制備工藝腐蝕硅片表面所產生的微結構、特別是其中納米尺寸的孔硅層起著關鍵的作用。研究這一特殊表面層的結構狀態(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的關鍵。 本文從上述考慮出發(fā)，從理論

2、上探索多孔硅表面的結構狀態(tài)與宏觀性質、主要是含能特性之間的關系。研究采用模型化學的方法，先根據已有的理論背景和實驗數據提出適當模型以模擬多孔硅的表面結構，再應用量子化學的理論與方法(主要是基于HFR方程的從頭計算法)進行計算分析。本文先后對由不同數目硅原子組成的量子點模型、一維量子線模型和二維網狀模型，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的模型進行了計算，考察了各模型吸附前后的電子狀態(tài)、能

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

4、上電荷密度的重新分配，電子向吸附鍵的轉移，削弱了表面硅原子與更內層硅之間的鍵強，也削弱了被吸附分子的某些化學鍵，使它們更容易斷裂。由于納米結構表面與吸附物質之間這種相互作用的結果，可能短期內在近表面層產生許多高活性物質，這些物質包括硅氫、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。對新制備的表面，這些活性物質尚未被氧化或逃逸，可以達到一定的濃度。當遇到火花或電流，就可能引發(fā)劇烈的氧化反應，瞬間釋放出大量的能量。簡言之，