【摘要】：跨尺度集成結(jié)構(gòu)結(jié)合了多個尺度材料的優(yōu)異特性從而具有改進的結(jié)構(gòu)、器件功能,在仿生、生物醫(yī)藥、微/納流體、光子和電子等眾多領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力。在微納跨尺度結(jié)構(gòu)制造技術(shù)方面,其多尺度、分級的微納結(jié)構(gòu)特征一直是制造的難點,雖然國內(nèi)外的研究人員進行了大量的研究,然而,目前的方法或者需要昂貴的設(shè)備、加工速度慢、效率低而成本太高,或者存在多工藝之間的耦合等問題,難以實現(xiàn)低成本、規(guī)�；�、可控的跨尺度集成制造。為了深入研究跨尺度結(jié)構(gòu)的集成特性,同時實現(xiàn)其在微/納米器件中的廣泛應(yīng)用,開發(fā)低成本、規(guī)�；奈⒓{結(jié)構(gòu)集成制造方法勢在必行。 基于此,本研究開發(fā)多種微納集成結(jié)構(gòu)的通用跨尺度制造技術(shù),解決跨尺度制造中微納結(jié)構(gòu)的耦合設(shè)計和難以大面積復(fù)制排列及高成本等難題,同時探索多物理場作用下微納結(jié)構(gòu)的多界面結(jié)構(gòu)和性能的演變規(guī)律。本研究將微、納制造工藝有效融合實現(xiàn)了跨尺度結(jié)構(gòu)的一體化制造,在跨尺度微納結(jié)構(gòu)的耦合設(shè)計及制造工藝集成策略方面有極強的創(chuàng)新意義。同時,根據(jù)不同跨尺度結(jié)構(gòu)所具有的獨特性能,將其巧妙應(yīng)用于葡萄糖傳感器、超級電容、LED等器件中,實現(xiàn)了對器件性能的極大改進。具體研究內(nèi)容如下： 1.以C-MEMS為碳微結(jié)構(gòu)基底,開發(fā)了C-MEMS/SiOxNy納米線、C-MEMS/SiO2納米線、C-MEMS/碳納米管(CNTs)微納集成結(jié)構(gòu)的規(guī)�；圃旃に�,解決了微、納制造技術(shù)之間的耦合問題,實現(xiàn)了跨尺度結(jié)構(gòu)的一體化制造。對于制備的C-MEMS/SiOxNy、 C-MEMS/SiO2三維分級結(jié)構(gòu),研究了SiOxNy、SiO2納米線在C-MEMS微結(jié)構(gòu)表面的選擇性生長現(xiàn)象,分析了不同工藝參數(shù)對集成結(jié)構(gòu)的影響,揭示了熱解和納米線生長一體化工藝的微納集成原理C-MEMS/CNTs結(jié)構(gòu)的集成制造利用了納米結(jié)構(gòu)的自組裝作用及高分子交聯(lián)反應(yīng)中的界面效應(yīng),實現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)在三維微表面上的定域、有效組裝。對該結(jié)構(gòu)進行電學(xué)測試后表明CNTs的集成提高了C-MEMS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性,結(jié)合碳結(jié)構(gòu)的生物兼容性及CNTs對酶的直接電子轉(zhuǎn)移能力,提出了將C-MEMS/CNTs結(jié)構(gòu)應(yīng)用于葡萄糖傳感器的思路。通過優(yōu)化工藝制備了三維分形酶電極,實現(xiàn)了對葡萄糖的快速、高靈敏、高選擇性響應(yīng)。 2.以柔性三維碳為碳微結(jié)構(gòu)基底,基于水熱法在其上規(guī)�；闪擞行騔nO納米線陣列。深入研究了水熱過程中ZnO納米線在微結(jié)構(gòu)上的集成生長行為,探討了不同工藝參數(shù)對納米結(jié)構(gòu)的影響,如基底、種子層、生長時間、ph值等。將ZnO集成結(jié)構(gòu)進行氫化處理得到H-ZnO微納集成結(jié)構(gòu),通過對集成微納結(jié)構(gòu)的電學(xué)、電化學(xué)特性進行表征,揭示了納米結(jié)構(gòu)集成對微結(jié)構(gòu)性能的影響。使用電化學(xué)沉積方法在集成結(jié)構(gòu)表面修飾葡萄糖氧化酶制備了三維分形酶電極,初步探索了酶電極在葡萄糖傳感器中的應(yīng)用。以碳布/ZnO納米線集成結(jié)構(gòu)為基底,在其上沉積MnO2制備超級電容,得到性能改進的電極結(jié)構(gòu),多次充放電后具有較高的容量保持率及庫倫效率,證明了該微納集成結(jié)構(gòu)在柔性電子中的巨大應(yīng)用潛力。 3.使用前述類似工藝大批量制備了SiOxNy納米線、SiO2納米線,并使用高分子膜技術(shù)實現(xiàn)了硅基納米線在微米尺度上的規(guī)�；�。該集成微米膜結(jié)構(gòu)繼承了硅基納米線的強漫反射特性,用作LED反射杯的涂層材料可以極大地改善其發(fā)光性能。集成結(jié)構(gòu)中的SiOxNy納米線在整個可見光波段具有高的漫反射率,SiO2納米線在紫外波段有較高的漫反射率,因此將SiOxNy納米線/微米膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于白光LED、將SiO2納米線/微米膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紫外LED,制備漫反射杯涂層,實現(xiàn)了硅基納米線集成結(jié)構(gòu)在LED照明中的應(yīng)用。測試結(jié)果表明,SiOxNy納米線集成結(jié)構(gòu)使得白光LED的出光效率提高～20%,同時改善了光強的分布；SiO2納米線集成結(jié)構(gòu)同樣大幅度提高了紫外LED的光場均勻度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

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本文編號：2277799