可控直徑-周期有序納米線陣列的制備及性能研究.pdf

1、由于半導(dǎo)體納米線特殊的結(jié)構(gòu)特征和獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族材料制成的納米線在化學(xué)傳感器、鋰電池、熱電轉(zhuǎn)換器件、光伏器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體納米線在未來多種領(lǐng)域的應(yīng)用，制備出直徑周期可控的垂直有序納米線陣列是其面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。理解一維納米材料的生長(zhǎng)機(jī)理對(duì)實(shí)現(xiàn)納米線的可控生長(zhǎng)具有重要的指導(dǎo)意義。因此，本文的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面:
　　1.通過沉積Ti/Au膜層作為催化劑，采用金屬輔助化學(xué)刻蝕

2、方法制備出垂直有序的硅納米線陣列，硅納米線陣列經(jīng)過高溫?zé)嵫趸纬梢欢ê穸鹊难趸瘜?，再使用稀釋的HF溶液去除表面氧化層得到可控直徑/周期比、低孔隙密度的有序納米線陣列。主要研究了氧化溫度、氧化時(shí)間對(duì)硅納米線形貌的影響，并根據(jù)擴(kuò)展的Deal-Grove模型計(jì)算了硅納米線氧化層厚度與氧化時(shí)間的關(guān)系。我們通過熱氧化的工藝模擬研究了影響納米線形貌的因素，并討論了氧化過程中應(yīng)力分布的影響，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。為了減弱納米線頸縮現(xiàn)象和加快氧化

3、速率，提高了氧化溫度，同時(shí)，我們提出通過沉積適當(dāng)厚度的SiO2層作為高溫?zé)嵫趸淖钃鯇?，?shí)現(xiàn)了低D/P、低表面缺陷密度的有序硅納米線陣列的制備。
　　2.針對(duì)前面做出的Si及Si/SiO2的納米線陣列進(jìn)行系統(tǒng)的光學(xué)研究，在納米線表面生長(zhǎng)透明介質(zhì)層可以抑制其光反射，通過時(shí)域有限差分方法(FiniteDifference Time Domain-FDTD)模擬，我們發(fā)現(xiàn)添加透明介質(zhì)層SiO2后Si納米線表現(xiàn)出吸收增強(qiáng)的特性，具有核-殼

4、結(jié)構(gòu)的硅納米線陣列的吸收特征可以通過模態(tài)分析理論得到理解。Si/SiO2芯殼結(jié)構(gòu)的硅納米線陣列吸收增強(qiáng)與外層SiO2介質(zhì)層密切相關(guān)。此外，我們通過低填充比的Si納米線結(jié)合適當(dāng)厚度的SiO2介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)了Si納米線顯著的光吸收增強(qiáng)與寬光譜的抗反射效應(yīng)，對(duì)指導(dǎo)制備Si納米線基太陽能電池器件具有借鑒意義。
　　3.在n型(111)硅片襯底上，我們通過Ga滴自催化的方法實(shí)現(xiàn)垂直率100％的GaAs納米線的無序生長(zhǎng)。在前面工作的基礎(chǔ)上，我們

5、提出一種簡(jiǎn)單方便的制備有序GaAs納米線的方法:首先通過高溫?zé)嵫趸姆椒ㄖ苽涑鲋睆娇煽氐腟i/SiO2芯殼結(jié)構(gòu)的硅納米線陣列，然后將Si/SiO2納米線的頂端去除露出內(nèi)部的硅納米線，得到有序的可控直徑的硅納米線襯底，在Ga滴自催化的作用下，可以生長(zhǎng)出垂直有序的GaAs/Si軸向異質(zhì)結(jié)納米線。我們主要采用三種方法制備了有序硅納米線襯底，并生長(zhǎng)出了有序Si/GaAs異質(zhì)結(jié)納米線，不過生長(zhǎng)的納米線陣列未能完全達(dá)到我們的預(yù)期，需要進(jìn)一步的深入研

6、究。
　　4.采用硫鈍化和徑向生長(zhǎng)殼層結(jié)構(gòu)研究了GaAs納米線表面態(tài)對(duì)納米線光致發(fā)光譜的影響，實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過鈍化后的納米線表面態(tài)密度明顯減低，相應(yīng)的PL譜的峰值也有很大的提高。在Se+P2S5/(NH4)2S+t-C4H9OH鈍化液中鈍化GaAs納米線5min，可以在GaAs納米線表面生長(zhǎng)出了較厚的鈍化層，得到理想的鈍化效果。之后我們從理論上計(jì)算了表面缺陷密度與納米線直徑對(duì)PL峰強(qiáng)度的影響，理論計(jì)算表明表面缺陷濃度增加，載流子在表面