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。

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。

金属援助硅化学刻蚀法可控制备硅纳米线阵列

基于金属援助硅化学刻蚀机理,成功地发展了一种形貌可控地制备硅纳米线阵列的有效方法。在该方法中,通过银纳米颗粒催化层的微结构和硅化学刻蚀的时间来调控硅纳米线阵列的形貌。扫描电子显微镜(SEM)形貌表征的实验结果证实:硅纳米线阵列的孔隙率依赖银纳米颗粒催化层的微结构,硅纳米线阵列的高度依赖于硅的刻蚀时间。这种形貌可控地制备单晶硅纳米线阵列的方法简单、有效,可用于构筑硅纳米线光伏电池等各种硅基纳米电子器件。

无掩模选择性制备硅纳米线阵列及其光致发光

基于金属辅助硅化学刻蚀发展了一种无掩模选择性区域制备硅纳米线阵列的方法,并利用该方法成功制备了图形化的硅纳米线阵列.扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析表明,所制备的硅纳米线阵列是高质量的多孔微纳米结构,并利用拉曼光谱仪研究了室温下硅纳米线阵列的光致发光特性.结果表明,硅纳米线阵列可实现有效的光发射,发光波峰为663 nm.该方法工艺简单、有效,可潜在地应用于构筑硅基光电集成器件.

图形化硅纳米线阵列场发射阴极的制备及其场发射性能

结合光刻工艺和金属援助硅化学刻蚀法成功地制备了图形化的硅纳米线阵列场发射阴极,研究了其场发射性能。扫描电子显微镜照片显示,嵌入在硅衬底的硅纳米线阵列为垂直取向,形成图形化。场发射测试与分析表明,该阴极能够有效实现场电子发射,并且有利于获得图形化、低发散角的电子束。本研究提供了一种在硅基底上简单、有效地选域制备图形化硅纳米线阵列场发射阴极的途径,可潜在用于构筑各种真空微电子器件。

硅基径向纳米线阵列的制备及其机理研究

采用金属辅助化学刻蚀(MACE)的方法在硅衬底上制备出尺寸可控、表面光滑的硅纳米线阵列。利用扫描电子显微镜等检测仪器对所制备的硅纳米线样品进行了表征,研究了附银时间和双氧水浓度等工艺参数对硅纳米线生长的影响。结果表明,在附银时间为60s、双氧水浓度为1.0mol/L条件下,能够得到较为均匀、规则的硅纳米线阵列。此外,探讨了银辅助刻蚀硅纳米线的形成机理。

柔性硅纳米线阵列的制备及光催化性能研究

硅纳米线阵列是利用太阳能解决能源和环境问题的重要材料,然而,可用于柔性器件和生物相容性器件的柔性硅纳米线阵列的制备方法非常有限。本文通过化学气相沉积,以及高分子转移的方法,成功制备了具有不同高分子层厚度的柔性硅纳米线阵列,并研究了高分子层厚度对柔性硅纳米线阵列光催化性能的影响。结果表明,高分子层厚度越小,柔性硅纳米线阵列的光催化性能越强。因此,利用本文提出的制备方法得到的高分子层厚度低至5μm的柔性硅纳米线阵列,具有作为高效柔性太阳能电池和全光解水系统光电极的潜力。同时,该研究结果也为设计具有高效光能转换能力的柔性纳米线阵列提供了重要依据。

用AAO模板制备有序硅纳米线阵列

利用二次氧化法制备了高度有序的多孔阳极氧化铝膜,以此膜为模板通过磁控溅射制备了多孔有序的Pt/Ag双层金属薄膜,将此金属薄膜转移到n型单晶硅片上,通过金属辅助化学刻蚀法刻蚀出有序单晶硅纳米线阵列.原子力显微镜和扫描电子显微镜观察发现,多孔阳极氧化铝膜及后续生长的多孔Pt/Ag双层金属薄膜都具有均匀分布、直径约45nm的纳米孔,以Pt/Ag双层金属薄膜为模板刻蚀得到的单晶硅纳米线具有与纳米孔同样的直径,且垂直硅衬底生长.

硅(锂)线阵列探测器脉冲计数方式实验研究

硅(锂)阵列探测器原设计用于同步辐射冠状动脉血管造影实验的电流测量模式下的X射线光强的测量。根据这种类型探测器的噪声分析,有可能用于脉冲计数模式下的33keVX射线光强的测量。本文介绍了按此设想进行的实验及其结果。

硅纳米线阵列太阳电池的性能分析

采用金属催化腐蚀法分别在(100)和(111)硅片表面制备出大面积垂直排列和倾斜排列的单晶硅纳米线阵列,垂直阵列在300～1000nm波段的平均反射率约为2.5%,倾斜阵列在该波段的平均反射率约为5%。基于垂直阵列和倾斜阵列制作的硅纳米线阵列太阳电池的最高转换效率分别为9.31%和11.37%。倾斜阵列电池的串联电阻比垂直阵列电池有所减小,使电池填充因子增大,性能有所提升。载流子复合是硅纳米线阵列太阳电池中电学损失的主导,使电池性能明显低于常规单晶硅电池。

自组装制备硅纳米线阵列及其光致发光特性研究

用微电化学催化腐蚀法制备了硅纳米线阵列,通过扫描电镜(SEM)观察了样品的表面形貌。用荧光光谱仪测量了有序硅纳米线阵列的光致发光特性,发现当激发波长增加时,有序硅纳米线阵列的光致发光峰位单调红移,发光强度也单调增强。对比多孔硅的发光机理和现有实验条件,对有序硅纳米线阵列可能的发光机理进行了讨论。

定向硅纳米线阵列的场发射性质的研究及改进

本文测量了垂直基底方向生长的硅纳米线阵列的场发射性质,并研究了引入金对其场发射性质的影响。引入金后,硅纳米线阵列在10μA/cm2时的开启电场从4.7 V/μm降到了2.3 V/μm,并且根据Fowler-Nordheim曲线斜率的变化,估算出纳米线阵列的功函数从3.6 eV降到了2.2 eV。

硅纳米线阵列电极作为细胞色素c传感器的研究

利用化学刻蚀法由p型硅片制备了硅纳米线阵列,经过表面去氧化层处理后,制备了检测蛋白质细胞色素c的电化学传感器.实验表明,硅纳米线阵列电极对细胞色素c有良好的电化学响应,并且在低浓度条件下具备线性响应的特点.根据与未经表面处理的硅纳米线阵列电极的实验结果相对比,提出了细胞色素c所具备的羧基末端与硅纳米线阵列电极表面的Si-H相互作用从而改善传感性能的检测机理.

湿化学法制备硅纳米线阵列及其光电化学产氢性能分析

为了探究不同方法条件下制备的硅纳米线阵列电极产氢性能异同,文中分别采用了两步金属辅助催化无电刻蚀法、一步金属辅助催化无电刻蚀法以及阳极氧化法来制备硅纳米线阵列用作为光电分解水电池光阴极材料。通过FESEM、XRD和UVVis-IR DRS等手段对实验样品的形貌、晶型、减反性表征,发现相比于其他2种方法所得硅纳米线样品,两步金属辅助催化无电刻蚀法制备的硅纳米线结构晶型保持更好,表面缺陷更少。光电化学测试表明两步金属辅助催化无电刻蚀法制备的硅纳米线光电化学性能表现最优,其光电流密度值是一步法的4倍,阳极氧化法的40倍;转移电荷电阻仅是一步法制备的硅纳米线阵列阻值的1/3,阳极氧化法制备的1/1 000。

硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计

陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一.以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力.通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结.针对以上三种应用,本文运用有限时域差分(FDTD)法系统研究了硅纳米线阵列在300—1100 nm波段的光学特性.结果表明,当硅纳米线作为太阳电池的减反层时,周期P=300 nm,高度H=1.5μm,填充率(FR)为0.282条件下时,反射率最低为7.9%.当硅纳米线作为轴向p-n结电池时,P=500 nm,H=1.5μm,FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%.硅纳米线作为径向p-n结电池时,其光吸收主要依靠纳米线,硅纳米线P=300 nm,H=6μm,FR=0.349条件下其吸收效率高达32.4%,进一步提高其高度吸收效率变化不再明显.此外,本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质,与周期性硅纳米线阵列相比,直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高,相比于周期性硅纳米线阵列,优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%,吸收效率为27.8%.本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化,为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.

基于金/硅纳米线阵列肖特基结的自驱动式的可见-近红外光探测器性能研究

本文成功构筑了金/硅纳米线(Au/SiNWs)阵列自驱动式可见-近红外光探测器。探测器在暗态时表现出良好的二极管整流特性,在±1V偏压下,整流比达584。在可见-近红外光照下,光探测器具有明显的光生伏特效应。光探测性能研究表明:当无外加偏压时,探测器对波长为405nm、532nm和1064nm的光源具有较高的响应率,并且响应快速、信号稳定,重现性良好;当给器件施加一个很小的正偏压时,通过暗态和照光的切换,探测器可使外电路中的电流快速地正负交替变化,从而实现一种快速、有效的二进制光响应。自驱动式Au/SiNWs阵列光探测器显示了高灵敏、快速、宽光谱响应特性,具有巨大的应用前景。

银纳米颗粒/聚(乙撑二氧噻吩)修饰的硅纳米线阵列的合成及可见光催化性能研究

硅纳米线阵列由于其较强的光吸收能力及硅材料的丰富储量,被认为是最具大规模应用潜力的可见光光催化剂。针对硅材料在水相环境中不稳定这一瓶颈问题,本文提出了对硅纳米线阵列"先稳定、再活化"的修饰策略。通过在硅纳米线表面修饰聚(乙撑二氧噻吩)使其稳定,之后再修饰银纳米颗粒以提高光催化效率,得到了高效、稳定的可见光光催化剂。并通过研究聚(乙撑二氧噻吩)的厚度及银纳米颗粒的担载量对光催化剂性能的影响,得到了最佳的修饰条件。

硅太阳能电池表面纳米线阵列的光学特性研究

为增强晶体硅太阳能电池的光利用率,提高光电转换效率,研究了硅纳米线（Silicon nanowires,SiNWs）阵列的光学特性。首先运用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）方法对硅纳米线阵列在300~1100nm波段的吸收率进行了模拟计算,并对硅纳米线阵列的光吸收效率进行了优化计算。结果表明,当硅纳米线阵列的周期为600nm,填充比为0.7时硅纳米线阵列的光吸收效率最大,可达32.93%。然后采用金属催化化学刻蚀（Metal Assisted Chemical Etching,MACE）的方法,于室温、室压条件下在单晶硅表面制备了不同结构的硅纳米线阵列,并测试了其反射率R,并对实验结果进行了分析,表明硅纳米线阵列相对于单晶硅薄膜,其减反射增强吸收的效果明显。因此,在硅表面制备这种具有特殊形貌的微结构不仅能降低太阳电池的制造成本,同时还能大幅降低晶体硅表面的光反射,增强光吸收,提高电池的光电转换效率。