硅基微型储能系统，鉴于其良好的工艺制备兼容性、与微纳米智能器件的可集成性，是近些年来重要的研究发展方向。微型储能系统，可作为独立片上供电系统，为M/NEMS(Micro/Nano Electro Mechanical Systems，M/NEMS)等微纳米器件供电，如智能卡、微型传感器与执行器、微型机器人等，在生物医药、军工、金融、航天、环境监测、智能通信、纳米科技等众多智能领域都有较大的应用潜力。其中，三维硅基微型锂/钠离子电池储能系统，由于具备高能量/功率密度、优异的电化学循环稳定性、工作环境范围大、易微型化等优点，是目前实现能源微型化、集成化、绿色化的最优选择之一，也是当前微型储能系统领域的研究热点。然而，目前发展的三维硅基微型锂/钠离子电池，在制备方法上仍缺乏一定的半导体工艺兼容性，其电化学性能也仍需更进一步的提高和改善，因而，实现商业化生产还需更加深入的研究。本论文围绕以上提出的工艺制备兼容性和储能性能提升两个关键问题展开了研究，主要内容如下:　　1、三维硅阵列结构制备方面。首先，在晶圆衬底表面利用简单、成本较低、环境友好的自组装旋涂方法，成功制备了单层聚苯乙烯(Polystyrene，PS)掩膜;随后，采用电感耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma，ICP)干法刻蚀技术，实现了三维硅纳米阵列衬底基础电极;通过工艺参数的进一步优化，获得了独特的三维六角形瓶状硅纳米阵列衬底电极，为电极结构稳定性继续改善奠定了基础。然而，采用单纯的三维硅纳米阵列电极，其电化学储锂/钠性能仍不理想，需寻求一种有效的方法来大幅度提高其储能性能。　　2、三维硅基微型锂离子电池阳极储能性能提升方面。首先，利用与半导体工艺兼容的射频磁控溅射技术，制备了三维Si-SnO2复合纳米阵列电极，通过电化学性能表征和嵌锂循环后的电极结构形貌表征，成功验证了SnO2壳层对三维硅衬底电极的积极储锂提升作用。其次，通过射频磁控溅射和超高真空化学气相沉积技术，分别制备了非/多晶和单晶Ge薄膜壳层电极，成功实现了三维硅/锗复合纳米阵列电极储锂能力的大幅度提升。进一步，利用第一性原理理论计算发现，Si/Ge复合晶胞结构相对单一Si晶胞具备较高的锂原子吸附能和较低的迁移势垒，从本质上研究了Si/Ge电化学性能提升的机制。然而，三维Si/Ge复合纳米阵列电极表现出明显的容量攀升现象、电极循环稳定性较差、嵌锂循环后电极体积膨胀、以及整体电极结构稳定性有待改善等问题。　　为进一步解决上述问题，权衡好三维硅衬底电极的嵌锂能力和电化学循环稳定性，本研究提出了TiN/Ti中间层引入概念，采用射频磁控连续溅射方法，制备出多层三维Si/TiN/Ti/Ge复合纳米阵列电极。鉴于TiN/Ti中间层的良好导电性能和离子阻挡作用，TiN/Ti中间层不仅可作为有效的电流收集极，提高Si/TiN/Ti/Ge复合电极的电子电导率，同时也有效地抑制锂离子源源不断地嵌入到衬底电极中，从而实现了三维硅衬底电极的良好储能和高循环稳定性能。　　3、三维硅基微型钠离子电池阳极储能方面。三维Si/TiN/Ti/Ge复合纳米阵列电极不仅具备优异的电化学储锂性能，同时，作为微型钠离子电池阳极电极材料，也表现出优异的储钠循环稳定性和倍率性能。三维Si衬底电极主要作为电池整体的支撑结构。Ge纳米壳层电极作为唯一的嵌钠电极材料，TiN/Ti中间层起到了良好的电子输运作用。而且，从理论计算方面也认识到，Ge相对Si具备更高的钠离子吸附能和较低的迁移势垒。　　总之，本研究通过利用半导体工艺兼容技术，制备出了各种三维硅基复合纳米阵列电极结构，其不仅具备优异的电化学储能性能，同时也具备良好的器件集成性。本论文的工作，将为今后三维硅基微型储能系统的发展和进步提供重要的理论依据和实验验证。