多孔硅纳米线阵列的可控制备及其发光性能提升研究

摘要

硅纳米线(SiNWs)材料因其优异的力学、热学及光电学性质而受到了广泛的关注。其中，利用金属辅助化学刻蚀的方法可以在重掺Si片上制备表面具有多孔结构的SiNWs阵列。由于自从1990年发现多孔Si具有室温光致发光的特点以来，对于多孔Si材料结构与光学性能的研究便一直是人们关注的热点。因此，关于多孔SiNWs阵列的可控制备及其发光性能提升研究，对多孔Si在半导体纳米光电子器件领域中的应用有着重要的意义。
　　本研究中，通过对实验参数的优化，我们在重掺Si衬底上制备了形貌可控、发光强度可调的多孔Si NWs阵列，并通过原子层沉积（ALD）的方法将Si NWs与HfO2材料相结合，获得了Si-HfO2核壳结构，在表面钝化的同时实现了1.7倍的发光增强。另外，我们对Si NWs的传感特性进行了初探，通过其对乙醇的光响应测试研究了Si NWs的光猝灭，并提升了其探测稳定性。
　　主要研究内容如下:
　　(1)在p-Si-(100)、p-Si-(111)以及n-Si-(111)三种规格的重掺Si衬底上获得了多孔SiNWs阵列。通过改变刻蚀剂中氧化剂浓度，实现了重掺p-Si-(111)型衬底上取向可控的SiNWs的制备。
　　(2)通过常温光致发光谱(PL)和比表面积(BET)测试，研究了刻蚀剂中氧化剂浓度、原材料衬底取向及Si片掺杂元素与Si NWs阵列的多孔性及发光强度的关系，并对这些影响因素的作用机理作了进一步的分析。
　　(3)通过ALD方法在Si NWs表面包覆一层透光层，实现表面钝化，将Si NWs与HfO2材料相结合，获得了Si-HfO2核壳结构，并实现了1.7倍的发光增强，分析了发光增强与荧光寿命变化的原因。同时，通过改变钝化层材料和钝化层厚度，获得了实现Si NWs阵列发光增强最佳效果的反应参数。
　　(4)对多孔Si NWs进行了光响应测试，初步研究了醇类对多孔Si NWs的发光猝灭作用，并通过表面钝化处理，在保持发光猝灭特性的同时提升了其探测稳定性。