1 1.西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室, 西安 710049
2 2.西安交通大学 电子科学与工程学院, 西安 710049
3 3.生态环境部核与辐射安全中心, 北京 100082
量子限制效应使硅纳米线具有良好的场致发射特性, 结合多孔硅的准弹道电子漂移模型可提高场发射器件的性能。传统的金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的效率较低, 本研究在传统方法的基础上引入恒流源, 提出电催化金属辅助化学刻蚀法, 高效制备了硅纳米线/多孔硅复合结构。在外加30 mA恒定电流的条件下, 硅纳米线的平均制备速率可达308 nm/min, 较传统方法提升了173%。研究了AgNO3浓度、刻蚀时间和刻蚀电流对复合结构形貌的影响规律; 测试了采用电催化金属辅助化学刻蚀法制备样品的场发射特性。结果显示样品的阈值场强为10.83 V/μm, 当场强为14.16 V/μm时, 电流密度为64 μA/cm2。
电化学 金属辅助化学刻蚀法 硅纳米线 多孔硅 场发射 electrochemistry metal assisted chemical etching silicon nanowire porous silicon field emission
硅纳米线的消光截面在特定波段可以达到其几何截面的数百倍, 这意味着其可以将数百倍于其几何截面范围内的光收集起来。 因此, 硅纳米线被广泛应用于太阳电池、 传感器和光催化等光电子领域。 硅纳米线主要有圆柱形(C-SiNW)和锥形(T-SiNW)两种形貌。 其中, T-SiNW在更宽的波段范围具有大的消光系数, 因而具有更好的广谱光收集能力。 然而, 当光从顶端入射时T-SiNW的吸收系数的数值却很小, 严重限制了其实际应用。 因此亟需研究入射角度对T-SiNW光谱行为的影响。 此外, 光的偏振也将影响T-SiNW的光谱行为。 基于离散偶极近似方法, 详细研究了入射角度和偏振对T-SiNW的消光谱、 吸收光谱和散射性质的影响。 建立了长度1 μm、 上底直径20 nm、 下底直径120 nm的T-SiNW模型; 入射角度在0~180°范围内以30°间隔递增; 偏振包括平行于入射面和垂直于入射面两种情况。 首先, 研究了入射角度和偏振影响T-SiNW的消光、 吸收谱和吸收/消光比的规律; 并借助近场分析探讨了T-SiNW光谱行为的机制。 然后, 分析了入射角度和偏振对T-SiNW散射光角度分布的影响。 结果表明, 倒置T-SiNW的消光谱与正置情况完全相同, 但其吸收谱数值却大的多: 在0.3~0.55 μm波段范围内的平均吸收/消光比超过70%。 水平放置的T-SiNW消光谱数值最大、 吸收谱数值最小, 因此具有最强的光收集能力和最小的光吸收占比; 同时, 还可以将垂直入射光在近似水平的方向上散射出去。 与对垂直偏振光相比, T-SiNW对平行偏振光的吸收系数更大, 但吸收/消光占比更小。
锥形硅纳米线 光谱行为 入射角度 偏振 Tapered silicon nanowire Spectral behavior Angle of incident light Polarization 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3394
1 贵州大学化学与化工学院，贵阳 550025
2 贵州理工学院化学工程学院，贵阳 550003
介绍了硅纳米线在制备技术方面的最新进展，综述了硅纳米线两种不同的生长模式(“自上而下”和“自下而上”)，以及在两种生长模式下硅纳米线的制备方法，即化学气相沉积、分子束外延、激光烧蚀、氧化物辅助生长、溶液法、电子束光刻、纳米压印光刻和金属辅助化学刻蚀等，并对各种方法的优缺点进行了仔细叙述，总结了硅纳米线的两种典型生长方向(平面和垂直)的研究现状。最后阐述了近年来硅纳米线在电子器件、传感器件和太阳能电池的应用情况，并展望其发展趋势，为科研人员进一步开拓硅纳米线研究提供一定参考。
硅纳米线 制备方法 生长模式 电子器件 传感器 太阳能电池 silicon nanowire preparation method growth pattern electronic devices sensor solar cell
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安工业大学 西北兵器工业研究院, 陕西 西安 710021
硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜, 在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀, 得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列, 并对其光学特性进行了研究。研究结果表明, 金代替银作为催化剂, 可以有效地抑制二次刻蚀, 金的化学性质相对于银更加稳定, 克服了银膜在较高的温度或较长刻蚀时间下产生的结构性破坏, 得到形貌规整、尺寸可控的硅纳米线阵列。对该阵列在400 nm～1 200 nm波段的反射率、透过率进行了测试, 并对比分析了金模板催化与传统方法机理的异同。测试结果表明, 相较于传统金属辅助化学刻蚀法, 文中提出的金模板催化法制备的硅纳米线阵列尺寸及分布更加均匀可控, 在宽光谱范围内的抗反射性得到了显著提高。
半导体材料 硅纳米线 阳极氧化铝薄膜 湿法刻蚀 催化 抗反射性 semiconductor materials silicon nanowires ultrathin anodic aluminium oxide membrane wet etching catalysis anti-reflective properties
硅光子阵列波导光栅(AWG)是实现硅基光子集成的重要器件。根据不同器件结构和材料介绍了该器件的研究进展。器件结构主要包括常规对称型、反射型、级联型和多模干涉仪(MMI)输入型。与常规对称型阵列波导光栅相比,反射型阵列波导光栅使器件尺寸更小;级联阵列波导光栅通道串扰性能更优越;MMI输入阵列波导光栅能获得平坦化输出光谱。硅材料具有高折射率,因此硅纳米线阵列波导光栅弯曲半径极小,器件更加紧凑;氮化硅阵列波导光栅具有良好的通道串扰和偏振性能。还介绍了温度和偏振不敏感阵列波导光栅,并对硅光子阵列波导光栅的未来发展趋势作出预测。
集成光学 阵列波导光栅 硅光子学 硅纳米线 氮化硅 激光与光电子学进展
2018, 55(12): 120009
1 河南工程学院电气信息工程学院, 河南 郑州 451191
2 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
一维纳米材料硅纳米线是目前重要的光电材料之一, 采用化学气相沉积法制备了硅纳米线, 实验研究了不同功率532 nm激光激发下的拉曼光谱和荧光光谱, 随着入射激光功率的增加, 一阶拉曼光谱出现红移和非对称加宽, 而且红移同入射激光功率成正比, 光致荧光光谱出现蓝移和双峰结构。 使用声子限域效应、 应变效应和激光非均匀加热效应对实验结果进行了分析, 并采用matlab模拟了入射激光功率同拉曼频移的理论关系曲线, 结果表明激光非均匀加热效应是引起拉曼光谱和光致荧光光谱变化的主要原因。
硅纳米线 拉曼光谱 荧光光谱 Silicon nanowires Raman spectra Photoluminescence 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1118
1 中国科学院固体物理研究所 材料物理重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 合肥 230026
采用金属辅助化学刻蚀方法结合纳米球模板技术制备出了有序硅纳米线阵列。硅纳米线阵列经过高温热氧化形成一定厚度的氧化层, 再使用稀释的HF溶液去除表面氧化层得到可控直径/周期比、低孔隙密度的有序纳米线阵列。主要研究了氧化温度、氧化时间对硅纳米线形貌的影响, 并根据扩展的Deal-Grove模型计算了硅纳米线氧化层厚度与氧化时间的关系, 讨论了氧化过程中应力分布的影响, 理论计算结果与实验结果一致。最后, 采用两步氧化的方法制备出了低直径/周期比(约0.1)、低孔隙密度的有序硅纳米线阵列。
金属辅助化学刻蚀 热氧化 低直径/周期比 硅纳米线 扩展Deal-Grove模型 metal-assisted chemical etching thermal oxidation low diameter-to-pitch ratio silicon nanowire extended Deal-Grove model
1 海军驻南京地区航空军事代表室, 南京 210012
2 中国电子科技集团公司第五十五研究所, 南京 210016
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300~1100 nm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600 nm, 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。
硅纳米线阵列 光吸收效率 时域有限差分法 金属催化硅化学刻蚀 silicon nanowire arrays light absorption efficiency FDTD metal-assisted chemical etching
浙江大学 光电信息工程学系 现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058
总结并展望了硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件方面的理论和实验研究工作。首先介绍了几种硅基混合表面等离子体纳米光波导结构，其尺寸可小至100 nm以下，而传播长度达100 μm量级；其次介绍了基于硅基混合表面等离子体纳米光波导的功分器、偏振分束器和谐振器等集成器件，其尺寸为亚微米量级；最后探讨了硅基混合表面等离子体纳米光波导与硅纳米线光波导的耦合及对其进行增益补偿。
光波导 集成器件 表面等离子体 硅纳米线 optical waveguide photonic integrated devices plasmonic silicon nanowire
1 河南师范大学物理与信息工程学院, 河南 新乡 453007
2 河南省光伏材料重点实验室, 河南 新乡 453007
3 河南省新乡市第五职业中专, 河南 新乡 453007
提出用碱溶液修饰硅纳米线阵列制作太阳能绒面的方法。实验中首先采用金属催化化学腐蚀法在Si(100)基底上制备了定向排列的硅纳米线阵列，然后将纳米线阵列浸入碱溶液中进行修饰，修饰时间分别为10，30，50，60，90 s。通过扫描电子显微镜（SEM）对硅纳米线阵列进行形貌分析，采用太阳能测试系统附带的积分球测量纳米线阵列绒面结构的反射光谱。通过测量和分析发现硅纳线阵列在碱溶液中修饰30 s时表面分布均匀，在400~1000 nm波段的综合反射率低于4%。结果表明碱溶液修饰纳米线阵列的方法能够有效分散束状硅纳米线阵列，明显降低绒面的反射率，并且初步分析了碱溶液修饰硅纳米线阵列的分散机理。
材料 硅纳米线阵列 减反射 金属催化化学腐蚀法 各向异性
