4H-SiC纳米线阵列基β辐射伏特效应微型核电池的研究

Betavoltaic nuclear microbattery is a micro-energy with the performance of small size, long life, and high energy density, which has attracted more and more attention due to the promising attempt to solve the bottleneck problem of MEMS power. According to the current research status of the microbattery, the project proposes to use the wide bandgap SiC nanowire arrays as the unit for preparing nuclear battery by combining Monte Carlo theory and experiments to finally achieve high energy conversion efficiency (>20%) and high power density (micro Watt) nuclear microbattery. Through study on the parameters such as the decay of beta radiation sources and transport performance, nanoarray structure, energy band engineering, electrode structure and ohmic contact and radiation source integration to improve the battery performance and reduce the influence of internal resistance, and thus establish the corresponding relationship between the physical parameters of nuclear battery and the battery performance. Based on this foundation, it is hoped to explore the relationship between the spectrum response of the nanowire arrays to the beta particles, and obtain the working mechanism of the nanowire array based nuclear battery and the generation and transport mechanism of the beta-induced carriers. The implementation of the project will provide some basic data and key technologies for the development of SiC nanowire array based nuclear microbattery, and will strongly promote the application of nuclear battery in the MEMS field. Obviously, it has significant scientific significance and potential application value.

β辐射伏特效应微型核电池是一种体积小、寿命长、能量密度高的微能源，有望解决MEMS电源瓶颈问题而引起了广泛关注。针对目前伏特效应核电池的研究现状和不足，本项目提出使用宽带隙SiC一维纳米线阵列作为换能单元制备核电池，通过蒙特卡罗理论和实验相结合的研究手段，最终期望获得高能量转换效率(>20%)和高功率密度(微瓦量级)的微型核电池。系统研究β放射源的衰变和输运特性，纳米阵列结构、能带调控、电极结构与欧姆接触和放射源集成等参数对改善电池性能、降低内阻的影响规律，建立核电池各物理参量与电池性能的对应关系。在此基础上，不断深入探讨纳米线阵列对β粒子能谱响应关系，得到纳米线阵列基核电池工作机理和β辐生载流子的产生及输运机制。项目的实施将为SiC纳米线阵列基微型核电池的发展提供一定的基础数据和关键技术，将有力推动伏特效应核电池在MEMS领域的应用，显然具有显著的科学意义和潜在的应用价值。

本课题经过四年的研究工作，按照项目研究内容和目标，已经成功制备4H-SiC纳米线单晶阵列及其核电池。在此基础上分析了一系列基于Ni-63源和半导体p-n结型β核电池，掌握了研究β核电池的一些重要方法和关键技术。以高性能基于碳化硅纳米线阵列为换能单元β微型核电池的研制为导向，通过理论模拟和实验的精细设计与优化，实现高质量微型核电池的制备。这项研究的实施为微型核电池的研发提供一定的基础数据和关键技术，具有显著的学术和应用价值。同时，这项研究将大大地推动微型核电池在微型动力源领域的实用化进程。项目在建立β核电池理论计算模型的基础上，优化核电池结构，进行产品迭代更新，不断提高这类核电池的能量转换效率，通过MCNPX计算碳化硅内的能量沉积分布和非平衡载流子数量分布。通过耦合泊松方程和载流子连续性方程，使用COMSOL计算非平衡载流子输入情况下的核电池I-V和P-V输出特性曲线，不断迭代得到电池最佳设计结构，反馈给后期工艺。研究中亟待解决的一些问题，突破提高这类核电池输出性能的一些关键性制备技术，为高性能微型核电池的研究提供可靠的理论基础和实验数据支撑，最终能量密度大（µW/cm2量级）、能量转换效率高（>1.8%）的微型核电池。.鉴于光电探测器件与核SiC单晶低维纳米结构的制备及其光探测性能的研究等方面以取得了较好的进展，实现了对4H-SiC 纳米线阵列的精细调控(长度为35微米，直径为30nm)，并借助光刻和电子束沉积技术等半导体工艺流程，实现了纳米线阵列器件、阵列-石墨烯器件和纳米线薄膜光电探测器的研制。实验结果表明，所研制的光电探测器具有高灵敏度、高稳定、响应速度快，可重复性好，且能在高温300 度温度下实现对紫外光的检测。值得指出的是基于以上工作，已在国际知名期刊上发表英文 SCI 论文 20 篇(标注基金号)，参加国内学术会议2次，授权国家发明专利6项，其中申请19 项，得到碳化硅微型核电池概念器件，较好地完成了项目各项指标。