硅纳米孔柱阵列的电子跃迁特性研究
【摘要】硅纳米孔柱阵列(Siliconnanoporouspillararray,Si-NPA)是一种典型的多孔材料和硅纳米晶(Siliconnanocrystallites,nc-Si)/氧化硅(SiOx)纳米复合体系,研究其在光学过程中的电子跃迁特性有助于进一步了解Si-NPA各种物理特性的内在机制,为未来设计和制备基于Si-NPA的不同功能纳米异质结器件提供基础性的理论支持。本文综合利用了表面光电压(Surfacephotovoltage,SPV)谱、光致发光(Photoluminescence,PL)谱等对水热法和染色腐蚀法制备的Si-NPA、经过不同温度热处理的Si-NPA和基于Si-NPA制备的聚乙烯咔唑(PVK)/Si-NPA有机-无机复合结构进行了研究,得到了一下主要结论:一、Si-NPA多孔层中nc-Si/SiOx纳米结构的电子跃迁特性对比单晶硅和Si-NPA的SPV谱发现,Si-NPA多孔层中nc-Si/SiOx纳米结构在~580nm-~300nm的波长范围内具有明显的SPV响应。在外加不同电场时,nc-Si/SiOx纳米结构的SPV响应完全不同于单晶硅层SPV响应的变化规律,说明nc-Si/SiOx纳米结构的SPV被nc-Si/无定形SiOx界面上某种界面局域电子态所主导。对Si-NPA在空气中进行退火氧化,随着退火温度从100℃升至500℃时,位于~580nm到~300nm之间来自多孔层的SPV响应会逐渐减弱直至几乎完全消失;同时,位于红光区的单PL带在200℃时分裂为两个PL带,500℃时大幅减弱直至完全消失;位于红光-近红外区的PL带则逐渐增强。与此同时,在紫光-蓝光区内出现一新的PL带形成并逐渐增强。Si-NPA经过两年空气中自然氧化后,来自于单晶硅层的SPV完全消失,仅表现出多孔层nc-Si/SiOx纳米结构的光吸收特征。分析表明,Si-NPA样品中多孔层nc-Si/SiOx纳米结构的SPV和红光PL都是来自于nc-Si与无定形SiOx结构的界面上Si-O结构相关的界面局域电子态所主导的电子跃迁,而位于红光-近红外区域的PL来源于与Si=O结构相关的局域电子态所诱导的复合发光,紫光-蓝光PL来自于nc-Si表面上所形成的O缺陷所诱导的复合发光。二、Si-NPA电子跃迁特性在不同制备过程中的变化水热法制备的不同腐蚀时间的SEM照片表明只有当腐蚀时间超过25分钟以上时在多孔层中才能形成规则的纳米多孔硅阵列结构。比较各个样品的SPV谱,发现当腐蚀时间从10分钟增加到45分钟的过程中各个样品的光吸收特征发生了很大的变化,这主要归因于nc-Si粒径尺寸分布在不同腐蚀时间样品中的不同。在~5800nm到~300nm的波长区间内出现的SPV响应带的强度会随着水热腐蚀时间从10分钟变化到45分钟的过程逐步减弱,而且位于~550nm-~800nm波长区间内的PL带的强度也会随着减弱,这些结果都说明在水热腐蚀时间增加的过程中多孔层nc-Si/无定形SiOx结构的界面上的氧化程度在逐步下降,并且导致了界面上与Si-O结构相关的界面局域电子态的数量也在逐步下降。染色法制备不同腐蚀时间的Si-NPA样品的SEM照片表明只有当腐蚀反应在30小时以上时才有规则纳米多孔硅柱结构形成,但是其硅柱的尺寸要远大于水热制备Si-NPA样品中的多孔硅柱。对比所有染色腐蚀Si-NPA样品及在空气中500℃退火氧化后样品的SPV谱,可以发现它们的多孔层nc-Si/SiOx纳米结构的光吸收特性远不同于水热腐蚀Si-NPA样品,说明染色腐蚀Si-NPA样品的多孔层中有更多大粒径的nc-Si生成;而30小时、40小时和50小时染色腐蚀Si-NPA样品的SPV谱在~500nm到~300nm的波长范围内都有一个非常强的SPV响应带,而且它们的PL谱中都有很强的可见光PL,但是这些样品的SPV响应强度和PL强度对于不同腐蚀时间没有表现出规律性,最终表明,利用染色腐蚀法无法实现像水热法那样对于Si-NPA样品光学特性某种程度上的可控。三、PVK/Si-NPA复合结构对比PVK/Si-NPA复合结构和Si-NPA样品的SPV谱及PVK薄膜的吸收光谱,可以发现PVK/Si-NPA复合结构的光吸收特性和光发射特性出现了很多新的现象,这些新的现象都可能来源于复合结构中PVK分子与Si-NPA中多孔层nc-Si/SiOx纳米结构之间的相互作用,而且基于复合结构而制备得到的Ag/c-Si/PS/PVK/Ag结构器件的I-V特性则进一步证实了PVK分子与Si-NPA中多孔层nc-Si/SiOx纳米结构之间的相互作用的可能性。
【作者】胡振纲;
【导师】李新建;
【作者基本信息】郑州大学,凝聚态物理,2014,博士
【关键词】硅纳米孔柱阵列(Si-NPA);电子跃迁;表面光电压(SPV);光致发光(PL);局域电子态;
【参考文献】
[1]姚庆玲.中小企业信用担保机构全面风险管理研究[D].山东大学,工商管理(专业学位),2013,硕士.
[2]李晋.完善高职院校内部两级管理研究[D].福建师范大学,公共管理(专业学位),2012,硕士.
[3]张忆东.中国养老地产证券化[D].上海交通大学,高级工商管理(EMBA),2013,硕士.
[4]黄易芝.基于雨线时空特性的雨天视频图像恢复[D].华中科技大学,电路系统,2013,硕士.
[5]许爱琼.广东省PZ民办高校品牌形象管理研究[D].广东工业大学,工商管理(专业学位),2014,硕士.
[6]马飞阳.我国城镇中等收入群体规模变动的统计分析[D].兰州商学院,数量经济学,2013,硕士.
[7]孙章军,颜景龙,李玉珏,李桂斌,邸超.变结构球形机器人系统设计[J].电子测试,2014,22:7-9.
[8]丁飞.基于视觉传感器的火焰识别与高压细水雾喷淋实验研究[D].江苏科技大学,轮机工程,2013,硕士.
[9]段浩.随机需求下的低碳海运网络设计研究[D].大连海事大学,物流工程,2014,硕士.
[10]张继东,廖青.建立基于关联规则数据挖掘的会计研究分析引擎[J].中国会计评论,2005,02:403-412.
[11]孙建东.城市民办幼儿园教师职业价值取向及激励问题研究[D].天津商业大学,行政管理,2013,硕士.
[12]陆永义,李少云,许国娥,阎素平,郑志坤,史升大.时差曲线图在大震速报中的应用[J].地震学刊.1994(02)
[13]于晶.档案袋评价在小学语文教学中的应用研究[D].东北师范大学,教育,2012,硕士.
[14]颜全椿,卫志农,徐泰山,王胜明,孙国强.基于主导与非主导参数的非线性加权最小绝对值参数估计[J].电力系统自动化,2013,20:71-76+126.
[15]彭漾.明清以降江浙经坊研究[D].杭州师范大学,古典文献学,2013,硕士.
[16]郭辰宇.建设银行内蒙古分行法律服务业务发展战略研究[D].内蒙古大学,工商管理,2012,硕士.
[17]贾风莹.试论当代中国的马克思主义发展观[D].宁波大学,马克思主义基本原理(专业学位),2013,硕士.
[18]钟进晓.不同外科疾病与手术麻醉对免疫细胞和阿片肽的影响[D].广州中医药大学,麻醉学,2013,硕士.
[19]白伟.卡夫卡《回家》一文的阐释[D].浙江大学,德语语言文学,2013,硕士.
[20]徐国安.电视中心总控系统数字化改造[J].现代电视技术.2004(01)
[21]邵绿.都市化进程中《时报》的转型(1921-1939)[D].复旦大学,新闻学,2013,博士.
[22]吴存花.耳穴配合颈夹脊穴针刺治疗神经根型颈椎病的临床研究[D].甘肃中医学院,针灸推拿学,2014,硕士.
[23]亓雪静.利津油田砂砾岩扇体发育特征及储层评价[J].石油地球物理勘探,2006,04:410-414+492+357-358.
[24]吴庆祥,BellDavid.可移动机器人的马尔可夫自定位算法研究[J].自动化学报,2003,01:154-160.
[25]段辉.具有加性噪声随机Sine-Gordon方程的吸引子及维数估计[D].西南交通大学,基础数学,2013,硕士.
[26]陈云飞.企业知识型员工工作压力认知和应对策略研究[D].浙江大学,2003.
[27]任红娟.一种内容和引用特征融合的知识结构划分方法研究[J].中国图书馆学报,2013,05:76-82.
[28]张众.小型语音识别系统的研究和开发[D].天津大学,生物医学工程,2004,硕士.
[29]陈欣.数据挖掘技术在电信BOSS的应用研究[D].辽宁工程技术大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[30]胡敏哲.SUV人机工程研究[D].湖南大学,车辆工程,2012,硕士.
[31]鲍湎思.西班牙梅里达历史建筑保护的整体意识研究[D].浙江大学,建筑设计及其理论(专业学位),2013,硕士.
[32]张燕.LTE系统中改进的DRX节能策略及性能研究[D].燕山大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[33]王皓.棚车带式双向装载装置的虚拟设计[D].兰州理工大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[34]关欣.小学低年级英语游戏教学存在问题及对策研究[D].东北师范大学,小学教育,2012,硕士.
[35]洪若晨.现代与本土的交织共生[D].华侨大学,中国语言文学,2014,硕士.
[36]陈桂明.印尼华裔学生的汉语环境及其对汉语学习的影响[D].广西师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[37]周维康.基于GameSWF的游戏界面解决方案的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[38]程天英.雌激素对肝星状细胞LX-2趋化因子CXCL10表达及迁移的影响[D].华中科技大学,内科学,2013,硕士.
[39]余仲宣,余灵芝,王水泉.全自动称量的动态轨道衡[J].冶金自动化,1987,03:40-43+10.
[40]田龙.职业中学女生管理策略研究[D].内蒙古师范大学,教育管理(专业学位),2012,硕士.
[41]李捐.基于单目视觉的移动机器人SLAM问题的研究[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[42]代双河,高军,臧殿光,刘文利.滨里海盆地东缘巨厚盐岩区盐下构造的解释方法研究[J].石油地球物理勘探,2006,03:303-307+322+362+16-17.
[43]张少华.红河油田西区长8储层描述及开发井部署[D].西北大学,矿产普查与勘探,2013,硕士.
[44]敖子涵.农业废弃物资源化优化机制研究[D].湖南科技大学,工商管理,2013,硕士.
[45]徐华.功能梯度材料Timoshenko梁的弯曲与振动分析[D].扬州大学,建筑与土木工程,2011,硕士.
[46]陈君兰.基于混沌粒子群算法的柔性资源受限多项目调度问题研究[D].上海理工大学,工业工程,2012,硕士.
[47]吴浩,郭瑞鹏,韩祯祥,曹一家.简单系统中感应电动机群稳态运行状态的分析[J].电力系统自动化,2011,12:1-6.
[48]侯媛媛.我国网络体育解说存在的问题与发展前景研究[D].西安体育学院,体育人文社会学,2013,硕士.
[49]谢柳娟.深层烃源高演化阶段生气潜力与机理研究[D].浙江大学,地球化学,2014,博士.
[50]徐宏昌.基于JSP体系架构的学生信息查询系统的研究与实现[D].北京工业大学,计算机技术(专业学位),2014,硕士.