气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO_(2)和Cl2的能力,着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明:不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO_(2)和Cl_(2)分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间,其中Si_(24)Ge_(36)H_(32)对CO_(2)气体的吸附能最大,气敏性能最好.能带结构计算表明:吸附CO和CO_(2)分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小,带隙变化较小;而吸附Cl2分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明:Si_(24)Ge_(36)H_(32)纳米线吸附CO, CO_(2)和Cl_(2)分子后的光学性质差异明显,主要体现在吸收谱的范围及吸收峰的峰值上,上述研究结果为[112]晶向Si_(24)Ge_(36)H_(32)纳米线可作为气体传感器敏感材料提供了一定的理论依据.

用于宽谱光学耦合的CdTe纳米线与硅波导复合耦合结构设计

设计了一种基于CdTe纳米线与硅波导的复合光学耦合结构,利用光学绝热耦合实现了CdTe纳米线与片上硅波导的高效率、宽光谱耦合。采用时域有限差分法,研究了CdTe纳米线与硅波导的模式匹配情况,并建立了CdTe纳米线与硅波导复合结构的耦合理论模型。在实验中,将通过气相沉积法制备得到的CdTe纳米线与通过光刻工艺制备得到的硅波导组成复合耦合结构,并利用光谱仪测量耦合特性。实验结果表明,当CdTe纳米线与硅波导的耦合长度~10μm时,在波长1150~1650 nm范围内的耦合效率>90%,耦合带宽达到了500 nm。所提出的耦合结构具有耦合长度短、耦合带宽大、纳米线材料可选择性高、耦合结构可重复构建等特点,可用于片上波分复用器、集成光学传感器等光通信或光传感器件与系统的研制。

基于硅纳米线的PEDOT:PSS/Si杂化太阳电池结构优化及实验研究

硅纳米线(silicon nanowires,SiNWs)越长,光学性能越好,但这会使太阳电池的电学性能损失越来越大。采用模拟和实验的方法,对PEDOT:PSS/Si杂化太阳电池的SiNWs进行优化,重点研究了SiNWs长度造成的表面复合速率和串联电阻对太阳电池性能的影响。结果表明,随着SiNWs长度的增加,表面复合主要影响开路电压,对太阳电池的性能影响较大;串联电阻主要影响填充因子,对太阳电池的性能影响较小。实验证明,当SiNWs长度为246nm左右时,PEDOT:PSS/Si杂化太阳电池的转换效率最高,为12.88%。研究结果可为含SiNWs的硅基太阳电池的设计提供指导。

基于CDs@SiNWs的光电化学免疫传感器构建及性能研究

采用金属辅助化学蚀刻法制备高定向硅纳米线阵列(silicon nanowire arrays, SiNWs),结合碳点(carbon dots,CDs)改性制备了一种新型无标记光电免疫传感器,用于心肌肌钙蛋白I(cardiac troponin I, cTnI)的检测。N型SiNWs作为光阳极,可获得强的光电信号基底响应。采用旋涂法将CDs负载于SiNWs表面,可以提高SiNWs对可见光的吸收能力,促进光生载流子分离,从而提高SiNWs的光电性能;同时,CDs为抗体连接提供了羧基活性位点。基于CDs@SiNWs的光电免疫传感器对cTnI的检测具有良好的线性范围(0.005~5.000 ng/mL)和较低的检出限(3.79 pg/mL)。所设计的光电化学(photoelectrochemical, PEC)免疫传感器具有良好的灵敏度、稳定性和重复性。该电极可实现无标签检测,为实现c TnI的即时检测提供了新的途径。

基于多孔硅纳米线的含能材料的制备及性能调控

纳米多孔硅由于其海绵状的孔隙结构,氧化剂很难充分填充,导致多孔硅复合含能材料多为富燃料体系;同时其孔隙率难以调节,无法精确控制氧燃比。针对以上问题,以紧密排列的单层聚苯乙烯微球为模板,通过反应性离子刻蚀(Reaction Ion Etching,RIE)技术结合金属辅助化学刻蚀(Metal-Assisted Chemical Etching,MACE)制备得到了形貌结构可控的多孔硅纳米线,通过控制RIE时间能够精准调节多孔硅复合体系的氧燃比,同时二维线状结构非常有利于氧化剂的高效填充。结果表明,在RIE时间为80s,即硅纳米线直径为150nm左右时,复合含能体系达到最佳化学计量反应平衡,能量输出最佳。同时,选用不同电阻率的硅片制备得到不同结构形貌的硅纳米线,电阻率越低,纳米复合含能体系中的硅纳米线结构越疏松多孔,不仅能够有效缩短传质传热距离,降低反应活化能,有利于增强反应放热;而且能提升燃烧性能,有利于点火,为硅基含能材料的发展提供了新的思路。

一维硅纳米线研究进展

一维纳米结构材料主要以硅纳米线以及硅纳米管为主,而硅纳米线作为一维硅纳米材料的典型代表,不仅具有半导体所有特殊性质,还展现出不同于普通硅材料的场发射、热导率及可见光致发光等物理性质,在众多热门方面如纳米电子器件、光电子器件,尤其是新能源领域-作为锂离子电池(LIBs)的负极材料目前引起世界的广泛关注,因为其一维几何形状适应了循环过程中硅的大体积变化,并能在所有操作阶段易于电子传递,因此具有巨大的潜在应用价值,成为当今世界科学研究领域的热点和前沿。然而纳米线的大规模可控制备依然是个难题。本文介绍了一维硅纳米线结构的制备、合成方法以及作为硅负极电化学性能的研究进展,并对储锂性能提升机制进行了探讨。

硅纳米线的制备及其生长条件探究

Si纳米材料自问世以来便受到研究者的重视,其不同于宏观块体材料的特殊性质可使其应用于各个领域。如何制备形貌较好且具有良好光电性能的纳米材料是在纳米材料应用前必须解决的问题。以Ni膜作为催化剂直接在Si衬底上制备了密集的Si纳米线,获得了Si纳米线较强的蓝紫波段的发光,研究了退火温度、退火气氛N_(2)流速、Si膜厚度等制备条件对Si纳米线形貌、光致发光强度的影响,并讨论了双层膜制备Si纳米线形成和生长机理。实验结果显示,退火温度、N2流速对Si纳米线的生长起到关键性的作用,N_(2)流速能够影响Si纳米线的光致发光强度,且较大的N_(2)流速能够使Si纳米线定向生长。而在Ni膜催化剂上预沉积一层适当厚度的Si膜也有助于Si纳米线的生长,且有效改善了Si纳米线的光致发光强度。

硅纳米线阵列光电探测器研究进展

硅(Si)作为最重要的半导体材料之一,被广泛应用于太阳电池、光电探测器等光电器件中.由于硅和空气之间的折射率差异,大量的入射光在硅基表面即被反射.为了抑制这种反射带来的损失,多种具有强陷光效应的硅纳米结构被研发出来.采用干法蚀刻方案多数存在成本高昂、制备复杂的问题,而湿法蚀刻方案所制备的硅纳米线阵列则存在间距等参数可控性较低、异质结有效面积较小等问题.聚苯乙烯微球掩膜法可结合干法及湿法蚀刻各自的优点,容易得到周期性硅纳米线(柱)阵列.本文首先概述了硅纳米线结构的性质和制备方法,总结了有效提升硅纳米线(柱)阵列光电探测器性能的策略,并分析了其中存在的问题.进而,讨论了基于硅纳米线(柱)阵列光电探测器的最新进展,重点关注其结构、光敏层的形貌以及提高光电探测器性能参数的方法.最后,简要介绍了其存在的主要问题及可能的解决方案.

硅纳米线表面喷墨打印纳米银油墨的SERS性能研究

在金属辅助化学刻蚀法制备的硅纳米线表面,通过喷墨打印纳米银油墨制备了银纳米粒子/硅纳米线复合结构基底.通过调节刻蚀时间和刻蚀温度,探究硅纳米线的微观形貌变化,及其对基底表面增强拉曼散射(SERS)活性的影响.实验结果表明,硅纳米线的长度随着刻蚀时间的延长而增加.当刻蚀温度为40℃、刻蚀时间为8 min时,能够激发更强的SERS信号.银纳米粒子/硅纳米线对探针分子罗丹明6G的最低检测限为10^(-7) mol∙L^(-1).

熔盐电解法制备硅纳米线的研究

硅纳米线是极具潜力的一维半导体材料,在物理、化学、材料、电子等诸多领域有广阔的应用前景。与传统的物理或化学制备方法相比,熔盐电解法制备硅纳米线具有原料易得、工艺简单的特点,是极具工业化前景的制备方法。基于此,以硅酸钙和氯化钙为原料,采用高温熔盐电解法制备硅纳米线,并探究了电解条件(熔盐配比、电解电压和电解时间)对硅纳米线产率、纯度和形貌的影响,从而为硅纳米线的工业化生产提供重要的依据。

掺杂和应变对硅纳米线电子结构与光学性质的调制影响

为了研究掺杂和应变对[111]晶向硅纳米线(silicon nanowires,SiNWs)的电子结构与光学性质的调制影响,基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(general gradient approximation,GGA),采用第一性原理方法开展了相关计算。能带计算表明:空位掺杂和元素掺杂均引入杂质能级,形成了N型和P型半导体材料。单轴应变则进一步减小了带隙,增强了掺杂硅纳米线的导电性,但由于应变也修饰了费米面附近能级的形貌,能带曲率突变影响了体系的导电性能。光学性质计算表明:相比于空位掺杂,元素掺杂更有效地改变了SiNWs的介电函数、吸收系数、折射率与反射率等光学参数,而单轴应变则削弱了元素掺杂的影响。拉应变提升了光吸收的范围和强度,尤其是可见光波段,使掺杂硅纳米线成为优质光伏材料,压应变则降低了对紫外光波段的吸收效率。在紫外区域,拉应变和压应变对掺杂硅纳米线的折射率与反射率的影响相反,在红外和可见光区域影响则一致。研究结果为基于应变和掺杂硅纳米线的光电器件设计与应用提供一定的理论参考。

熔盐电解法制备硅纳米线的过程机理

采用FESEM、XRD和EDS分析了纳米二氧化硅烧结片在900℃的CaCl2熔盐中浸泡后结构和组成的变化,结果表明,由于纳米尺寸效应和CaCl2熔盐对二氧化硅的熔融(软化)具有助熔作用,纳米二氧化硅烧结片在900℃的CaCl2熔盐中由固态转变为熔融或半熔融态。根据对900℃的CaCl2熔盐中-1.2V恒电位电解不同时间电极片上反应区的结构和组成分析结果,提出了纳米二氧化硅电极片的硅/熔融二氧化硅/熔盐三相界面沿极片径向方向均匀推进的电解还原过程。通过对900℃的CaCl2熔盐中-1.2V恒电位电解5和15min电解产物的形貌、结构和成份分析,提出了硅纳米线在熔盐中的电化学成核与生长机理。

硅纳米线的固-液-固热生长及升温特性研究

该文报道一种直接在硅片上热生长硅纳米线的新方法.与传统的VLS生长机制不同,该方法在生长硅纳米线的过程中没有引入任何气态或液态硅源,是一种全新的固-液-固(SLS)生长机制.实验中使用了Ni,Au等金属作为催化剂,由Ar,H2等作为载流气体.系统压强为2 5×104Pa,生长温度为950-1000℃.生长出的硅纳米线表面光滑,呈纯非舳态,直径为10-40nm,长度可达数十微米.升温特性对硅纳米线SLS热生长起重要作用.研究了各项实验参数(包括气氛压强,加热温度及加热时间等)对硅纳米线生长的影响.

硅纳米线阵列的制备及其光伏应用

采用金属催化化学腐蚀方法在单晶硅片表面可以制备出大面积排列整齐、与原始硅片取向一致的硅纳米线阵列,得到的硅纳米线单晶性好、轴向可控且掺杂浓度不受掺杂类型和晶向的影响。基于此,我们成功制备了大面积硅纳米线p-n结二极管阵列。此外,硅纳米线阵列结构具有优异的减反射性能,探索了其在太阳电池中的应用。目前初步研制出了基于硅纳米线阵列的新型太阳电池,获得了最高为9.23%电池效率。同时也研究了限制硅纳米线阵列太阳电池转换效率的主要因素,为以后的应用做了前期的探索工作。

硅纳米线的电学特性

总结了硅纳米线在电学特性方面的研究进展,重点分析了本征及掺杂硅纳米线的载流子浓度与迁移率、场发射及电子输运特性。研究表明通过对硅纳米线进行掺杂可提高载流子浓度及迁移率、场发射和电子输运性能,随硅纳米线直径的减小其电学性能增强。因此,硅纳米线在场效应晶体管及存储元件等纳米器件方面具有极大的应用前景。

硅纳米线纳米电子器件及其制备技术

硅纳米线由于特殊的光学及电学性能如量子限制效应及库仑阻塞效应等,在纳米电子器件的应用方面具有潜在的发展前景。介绍了采用电子束蚀刻技术(EB)、反应性离子蚀刻技术(RIE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等制备技术及场效应晶体管、单电子探测器及存储器、双方向电子泵及双重门电路等硅纳米线纳米电子器件的最新进展情况,并对其发展前景作了展望。

电化学法制备硅纳米线

硅纳米线除具有半导体所具有的特殊性质，还具有独特的光学、电学和化学性质，在纳电子器件、光电子器件以及新能源等方面显示良好的应用前景^[1,2]。目前，硅纳米线的制备方法、结构性能等研究受到了广泛的关注。在制备方法上，

第一性原理研究[111]晶向硅纳米线电子结构,光学性质与压阻特性的应变效应

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),利用第一性原理方法计算研究了单轴应变对[111]晶向硅纳米线的电子结构、光学性质以及压阻性质的影响.能带结构和光学性质的结果表明:压应变导致硅纳米线的带隙明显线性减小,且使其由直隙半导体转变为间隙半导体,而施加拉应变后硅纳米线仍为直隙半导体材料,但是带隙略有减小,且价带顶附近的能带线产生了较为复杂的变化.由于能带的应变效应导致其光学性质也相应发生了较大改变:拉应变使硅纳米线的介电峰出现宽化现象,低能区内的光吸收增强,静态折射率和反射率峰值增大,而压应变的效果则相反.结合能带结构与压阻系数计算模型得到的压阻特性结果表明:随着压应变的增加压阻系数单调减小,这主要归因于空穴浓度随压应变显著变化引起的;而拉应变作用时,压阻系数呈现波动趋势,这主要是由于空穴有效传输质量的增加程度和载流子浓度的增加程度不同而相互竞争导致的.上述计算结果表明,设计基于硅纳米线的光电和力电器件时,需考虑其应变效应.

无电金属沉积法硅纳米线阵列的制备研究

采用无电金属沉积法在硅衬底上制备出了大面积规整的硅纳米线阵列,并对其形貌控制的影响因素和形成机理进行了研究。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对硅纳米线阵列和相应银枝晶的形貌和结构进行了表征。结果表明,硅纳米线阵列的形貌受水热体系中溶液配比、温度和时间的影响,在温度为50℃、HF和AgNO3浓度分别为4.6和0.02mol/L的条件下,容易得到大面积排列规整的硅纳米线阵列,并且硅纳米线的长度为30～50μm,直径为200nm左右。无电金属沉积法为硅纳米线及其阵列的制备提供了一种设备简单、条件温和的制备方法。

硅纳米线阵列的光学特性

在常温常压条件下,采用改进的金属催化化学腐蚀方法在n型单晶硅片（100）上制备了大面积垂直于硅衬底、直径均匀、排列整齐的硅纳米线阵列。分析了样品的表面形貌和反射谱,纳米线直径为1050 nm。在腐蚀时间分别为15,30,60 m in时,纳米线长度分别为9,17,34μm。样品的减反射性能优异,在3001 000nm波段,得到了2.4%的反射率。初步分析了纳米线阵列的减反射机制和不同腐蚀时间样品的反射率差异。