基于核壳磨粒的碳化硅光-电辅助抛光方法与实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lxr_hu
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
新一代半导体材料SiC具有宽禁带、高临界击穿电场、高导热系数和高饱和电子迁移速率等优良电子特性。与传统Si基芯片相比,SiC基芯片可以降低器件能量损失,缩小器件尺寸,还可以满足现代电子通讯技术对高温、高压和高频等恶劣条件的新要求。因此,SiC在5G通讯、新能源汽车、高速轨道交通、新能源发电和智能电网等行业具有重要的应用前景。但是,SiC较为苛刻的抛光效率和抛光质量要求增加了制造成本,而传统的化学机械抛光技术存在抛光效率低和抛光液易污染环境等问题。本论文用电化学和光催化的增效方法提高了抛光效率,并协同所研制的核壳磨粒改善了抛光质量。用原位化学沉淀法制备表征了不同平均壳厚的核壳磨粒(PS/Ce O2)。在考虑核壳磨粒顶部形变量和曲率半径变化的条件下,改进了传统的弹性模量计算模型,结合AFM施压测量法计算出了核壳磨粒的弹性模量。用改进的模型计算出的弹性模量是用传统模型计算出弹性模量的1.7倍。软质聚苯乙烯内核使核壳磨粒具有比氧化铈磨粒更低的弹性模量,但会随着壳厚的增加而升高。核壳磨粒相对较低的弹性模量与其在抛光垫表面凹谷的填充效应以及在抛光液中良好的分散性均有助于减轻磨粒对试件表面的机械损伤。通过电化学腐蚀实验把0.2 mol/L的Na OH溶液确定为后续SiC电化学辅助抛光实验的电解液。建立了嵌入在抛光垫表面的核壳磨粒与SiC表面之间的接触模型,基于此模型建立了壳厚、压力和转速等参数对SiC电化学辅助抛光效率的预测模型,预测出了最佳壳厚(20.5 nm),并得到了实验验证。核壳磨粒可以实现比氧化铈磨粒更高的抛光质量,但会随着壳厚的增加而变差,而抛光效率先升高后降低,即存在最佳壳厚的核壳磨粒(PS/20.5)。基于上述分析模型发现抛光质量随着壳厚的增加而变差是由于核壳磨粒压入试件深度的增加;压入深度的增加还造成了抛光效率在小壳厚时的逐渐升高现象,而抛光效率在大壳厚时的逐渐降低现象是由有效氧化铈磨粒数量的减少所致。分别根据法拉第电解定律和普雷斯顿模型建立了SiC电化学腐蚀速率和基于核壳磨粒的SiC表面氧化物机械去除速率的计算模型。较小和较大的电化学腐蚀速率均不利于改善抛光效果,理想的抛光效果取决于电化学腐蚀速率与机械去除速率的协调。在两速率协调条件下协同PS/20.5降低了SiC表面残留氧化物的含量,并以相对较强的机械去除能力得到了局部Ra为0.235 nm高质量表面。针对于SiC电化学辅助抛光高效率、高质量和少残留氧化物的要求,提出了电化学-机械作用协调抛光方法。通过电化学刻划实验发现SiC表面氧化物的机械去除可以促进SiC基体的电化学腐蚀。分别用原位化学沉淀法和溶胶凝胶法制备出了核壳结构的复合光催化磨粒(PS/Ce O2-Ti O2)和复合光催化膜电极(钛网/Ce O2-Ti O2)。通过羟基自由基捕获实验发现复合光催化剂可以提高可见光的利用率并降低光生电子与空穴重聚的概率,从而具备比传统光催化剂更强的光催化能力。电辅助可以进一步降低光生电子与空穴重聚的概率,双紫外灯布置有助于提高光催化反应氧化性产物的利用率。在双紫外灯照射下,通过电辅助光催化抛光方法协同核壳磨粒得到了几乎不存在残留氧化物的高质量表面(局部Ra为0.113 nm),并实现了1.1μm/h的光催化辅助抛光效率。
其他文献
航天能力的高低是衡量国家强大与否的标志,空间探测技术的发展能够促进高新技术的进步。航天器是航天工程与空间科学的主要平台,深空环境是影响航天器可靠性的重要因素,其中温度的影响非常重要。航天器上的一些探测仪器设备需要直接工作在空间环境中,这便对其在极低温下正常工作的可靠性提出了要求。电子仪器中互连焊点的连接材料对热、力环境的变化非常敏感,在面临极低温(<-55℃)及大温差的工作环境时易发生损伤甚至失效
学位
近年来,中国的经济发展依靠科技和技术创新,形成创新驱动发展的良性循环,实现了从仅追求增长速率到关注高质量发展的转变。在此背景下,一批新创企业,如蔚来汽车、拼多多以及宁德时代等,作为突破性创新的排头兵,逐渐在市场中崭露头角,展示出独特的竞争优势。相较于成熟企业,新创企业作为处于初始阶段的企业,往往具有强劲的创新动力,但其资源劣势的属性又会制约其创新行为。由此,引发了学术界和商业界对新创企业的创新创业
学位
钙钛矿材料作为一类可调的介质材料其结构与性能研究一直备受研究者的关注,对于钙钛矿材料的研究也是多维度的,包括体块、薄膜和纳米颗粒等等。体块材料在机电耦合领域具有显著优势,而晶体由于具有良好的均一性和高透明度使其在光学调制领域具有广阔的应用前景。具有明确并且普适构效关系的高性能光学调制材料一直是研究者们迫切需求的。对于光学调制材料而言,其电光系数直接影响其器件化参数。钽铌酸钾(KTa1-xNbxO3
学位
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3(PMN-PT)基弛豫铁电材料因具有优异的压电性能和机电性能,故在超声换能器的制作中被用作为关键材料。自发极化是铁电材料具有的固有属性,且自发极化相同的区域形成畴结构,因此电畴结构与铁电材料的电学特性之间存在密不可分的关系。研究PMN-PT基弛豫铁电材料的电学特性和畴结构,对于深入地理解畴结构对介电弛豫特性、压电性能和结构相变行为的作用机理以及高压
学位
自2017年“国家大数据战略”实施以来,大数据与传统政务服务的融合实现了数据价值的涌现,有效满足了政府职能转变和公民需求,但也为政府提出了更高的要求。资源与能力的不足促使政府在政务服务供给中广泛引入互联网企业,以期借助互联网企业的优势,实现大数据对政务服务的赋能作用。达成预期目标的关键在于“合作治理”,即政企以开放共享、平等互利为理念,通过资源、技术和能力的有效整合,实现政务服务数据价值共创共享的
学位
红外辐射是指波长介于太赫兹和可见光波段之间的电磁波,通常包括三个重要的大气窗口区域,分别为近红外、中红外和远红外波段。与工作在其他波段的器件相比,红外光学器件在军事、生物医学、农业环境、航空航天上有丰富的应用前景。传统的红外光学系统需要组合多个器件,且系统中的结构是分立的,功能是特定的。这类器件存在结构复杂、灵活性小、尺寸大等诸多问题。超材料的出现从根本上开辟了光与物质相互作用的新机制。针对不同的
学位
电致变色是一种在外加电场作用下,材料的光学性质发生可逆变化的现象,其中无机电致变色器件因制备工艺简单、循环稳定性好和耐候性好等优点而被广泛研究。无机变色器件分为五层结构:透明导电层、阴极电致变色材料、电解质层、阳极电致变色材料、透明导电层;其中电解质作为离子储存和传输层在器件的变色中发挥了重要的作用,而目前无机电致变色器件中使用最多是基于H+和Li+的电解质。但是,在变色过程中H+会侵蚀变色薄膜,
学位
自动驾驶是人工智能(AI)的重要应用成果,激光雷达(Lidar)是自动驾驶环境感知传感器的重要组成部分。相比机械式Lidar,MEMS扫描式Lidar具有小型化、易集成等优点。但是,MEMS Lidar在应用中也显现了一些困难,如扫描角小、分辨率低、降雨环境的成像质量差、测距范围小等。MEMS阵列是解决和改善这些问题的选项之一,相对于单镜,MEMS阵列在控制光束、激光成像等领域的应用效果更佳。因此
学位
淡水资源严重短缺已成为社会经济发展中不可回避的难题。利用可持续能源应对淡水资源不足这一挑战已经引起了广泛的关注。近年来,利用光热转换材料将太阳能转换成热能用于海水蒸发以获得淡水展现出了可观的应用前景;然而,其实际应用面临两个亟待解决的关键问题:(1)已报道的光热材料往往成本高、合成复杂、蒸水性能不足,急需研发低成本、高性能的光热转换材料;(2)尽管研制的光热蒸发器在去离子水中表现良好,实际应用到海
学位
未来电力系统将是以可再生能源电源为主力电源的新型电力系统。而风能和太阳能是最有发展潜力的可再生能源,是未来新型电力系统的重要能源形式。因此,本文所研究的新型电力系统特指以风电和光伏电源为主要可再生能源电源的电力系统。风电和光伏发电具有以随机性和间歇性为基本特征的不可控性。随着风电和光伏在电网中占比的逐渐增高,现代电网正在用越来越多的不可控电源平衡随机性负荷。新型电力系统将面临严峻的功率平衡问题。因
学位