纳米纤维森林结构制备方法及其红外吸收特性研究

A fast and novel approach for parallel fabrication of nanofiber forests is proposed. In wavelength range of 1-5 μm, the nanofiber forests exibit infrared (IR) absorptance higher than 95%. The approach is with good repeatability, controlability and flexibility, and at the same time, it is highly compatable with the fabrication process of MEMS devices. Based on the mechanism analysis of the formation and high absorptance of the nanofiber forests, this project presents a new process to integrate the forests into MEMS IR sensors, by using the thermopile-based IR detectors as an example. The new fabrication approach for nanofiber forests break conventional limitations in aspects of small throughput, inconvenient manipulation and difficult integration with devices. Moreover, to realize the applications of highly absorptive nano-forests in MEMS IR sensors is a very important work for the development of MEMS technology, since the performance of the sensors can be greately improved. Therefore,we would say our research suggensts a new method to fabricate MEMS IR sensors of easy fabrication process, high performance and low costs. The work done in our research can be further taken as a reference for other MEMS sensors, and the results may have wide applications in different systems of Internet of Things.

本项目提出了一种并行制备纳米纤维森林结构的新型方法，可以方便、快捷、批量地加工纳米纤维森林结构，所制备的纳米纤维森林结构在1-5μm红外波段内吸收效率高于95%。该新型制备方法具有高度的可重复性、可调控性和灵活性，又与MEMS器件加工工艺有着高度的兼容性。在理论研究纳米纤维森林结构形成机理及其红外吸收特性的基础上，本项目将开发一套实现纳米纤维森林结构与MEMS红外传感器集成制备的新型工艺方法。纳米纤维森林结构新型制备方法的研究和开发，突破了现有纳米森林结构在批量并行加工、方便快速加工、与器件集成加工等方面的限制；另外，实现高吸收率纳米纤维森林结构在MEMS红外传感器中的应用，可以有效提高传感器的性能，从而开辟一条制造工艺简单、性能优化、成本低廉的MEMS红外传感器的新道路。本项目的研究结果将为其它MEMS传感器的研制提供具有启发性的借鉴，同时该结果也将在多种物联网系统中获得应用。

纳米森林结构因具有大表体比、大粗糙度、大表面积、尖端、多孔隙/缝隙等结构特点，而呈现出超亲/疏水、表面等离子体振荡增强、场发射、滤光、吸光等特性，因而常常适用于自清洁表面、微流控器件、表面增强拉曼散射器件、表面等离子体红外吸收器件、生物医学检测器件如DNA分子分离器件或功能器件、光电子器件、光学传感器件、太阳能电池等新能源器件，以及一些其他应用。近年来，纳米森林结构已成为一个研究热点。本项目提出了一种并行制备纳米森林结构的新型方法，可以方便、快捷、批量地加工多样性纳米森林结构，且该制备方法具有高度的可重复性、可调控性和灵活性，又与MEMS器件加工工艺有着高度的兼容性。所制备的多样性纳米森林结构呈现出灵活多变的光学与其它特性，尤其是，其对红外光有着优异的吸收特性，实验结果表明，所制备的纳米森林结构在1-5um红外波段内的平均光吸收率大于95%，在1.5-10um波段内也可达到92.4%。基于纳米森林结构的各项特性，本项目实现了其在MEMS热电堆探测器、表面增强拉曼散射检测芯片、湿度传感器等多种器件中的集成应用，以进一步提高器件的性能。除此之外，本项目对纳米森林结构的制备机理也进行了深入的研究，原创性地提出了等离子体再聚合机理，为纳米森林结构更为广泛的应用推广奠定了理论基础。. 本项目取得了多项具有自主知识产权的研究成果，基于这些研究成果，共发表了学术论文18篇，申请发明专利8项。本项目的研究具有重要的应用价值，可为研制与构建高性能MEMS传感器开辟一条新的技术道路，本项目研究成果的推广，将为MEMS传感器及物联网技术的发展做出一定的贡献。