可控直径/周期有序纳米线阵列的制备及性能研究

摘要

由于半导体纳米线特殊的结构特征和独特的物理、化学性质，Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族材料制成的纳米线在化学传感器、锂电池、热电转换器件、光伏器件等方面有着广泛的应用前景。为了实现半导体纳米线在未来多种领域的应用，制备出直径周期可控的垂直有序纳米线阵列是其面临的一个重大挑战。理解一维纳米材料的生长机理对实现纳米线的可控生长具有重要的指导意义。因此，本文的研究工作主要集中在以下几个方面:
　　1.通过沉积Ti/Au膜层作为催化剂，采用金属辅助化学刻蚀方法制备出垂直有序的硅纳米线阵列，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。我们通过热氧化的工艺模拟研究了影响纳米线形貌的因素，并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。为了减弱纳米线颈缩现象和加快氧化速率，提高了氧化温度，同时，我们提出通过沉积适当厚度的SiO2层作为高温热氧化的阻挡层，实现了低D/P、低表面缺陷密度的有序硅纳米线阵列的制备。
　　2.针对前面做出的Si及Si/SiO2的纳米线阵列进行系统的光学研究，在纳米线表面生长透明介质层可以抑制其光反射，通过时域有限差分方法(FiniteDifference Time Domain-FDTD)模拟，我们发现添加透明介质层SiO2后Si纳米线表现出吸收增强的特性，具有核-壳结构的硅纳米线阵列的吸收特征可以通过模态分析理论得到理解。Si/SiO2芯壳结构的硅纳米线阵列吸收增强与外层SiO2介质层密切相关。此外，我们通过低填充比的Si纳米线结合适当厚度的SiO2介质层，实现了Si纳米线显著的光吸收增强与宽光谱的抗反射效应，对指导制备Si纳米线基太阳能电池器件具有借鉴意义。
　　3.在n型(111)硅片衬底上，我们通过Ga滴自催化的方法实现垂直率100％的GaAs纳米线的无序生长。在前面工作的基础上，我们提出一种简单方便的制备有序GaAs纳米线的方法:首先通过高温热氧化的方法制备出直径可控的Si/SiO2芯壳结构的硅纳米线阵列，然后将Si/SiO2纳米线的顶端去除露出内部的硅纳米线，得到有序的可控直径的硅纳米线衬底，在Ga滴自催化的作用下，可以生长出垂直有序的GaAs/Si轴向异质结纳米线。我们主要采用三种方法制备了有序硅纳米线衬底，并生长出了有序Si/GaAs异质结纳米线，不过生长的纳米线阵列未能完全达到我们的预期，需要进一步的深入研究。
　　4.采用硫钝化和径向生长壳层结构研究了GaAs纳米线表面态对纳米线光致发光谱的影响，实验表明经过钝化后的纳米线表面态密度明显减低，相应的PL谱的峰值也有很大的提高。在Se+P2S5/(NH4)2S+t-C4H9OH钝化液中钝化GaAs纳米线5min，可以在GaAs纳米线表面生长出了较厚的钝化层，得到理想的钝化效果。之后我们从理论上计算了表面缺陷密度与纳米线直径对PL峰强度的影响，理论计算表明表面缺陷浓度增加，载流子在表面的耗尽与复合也增加，PL谱峰值降低。在低表面陷阱浓度(＜108cm-2)下，PL谱的强度与纳米线的体积（或者直径的平法）呈现正相关关系，随着表面陷阱浓度的增加，表面复合将对PL强度起到决定的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 纳米材料的基本特性

1．3 纳米线材料的广泛应用

1．4 一维纳米结构的制备

1．4．1 VLS生长机制

1．4．2 SLS生长机制

1．4．3 其他生长机制

1．5 纳米线材料面临的挑战

1．6 本文主要研究内容

第2章 可控直径／周期有序Si纳米线阵列的制备

2．1 引言

2．2 MACE方法制备硅纳米线阵列

2．2．1 硅片的清洗

2．2．2 模板制备

2．2．3 金属薄膜的沉积

2．2．4 有序硅纳米阵列的实现

2．3 纳米线表面SiO2层的制备

2．4 高温热氧化过程中的Si纳米线理论研究

2．4．1 纳米线应力分布

2．4．2 纳米线氧化层的生长动力学

2．5 可控D／P硅纳米线阵列的实现

2．6 本章小结

第3章 Si／SiO2芯壳纳米线光学性质研究

3．1 引言

3．2 Si／SiO2芯壳纳米线的制备

3．3 Si／SiO2芯壳纳米线光学性质

3．3．1 光学模型的建立

3．3．2 SiO2厚度对纳米线阵列光反射的影响

3．4 Si／SiO2芯壳纳米线模式分析

3．5 本章小结

第4章 硅基GaAs纳米线有序阵列的制备

4．1 引言

4．2 分子束外延技术简介

4．2．1 分子束外延的发展与基本原理

4．2．2 Varian GEN Ⅱ分子外延设备

4．2．3 反射高能电子衍射

4．3 硅基GaAs纳米线的外延生长

4．3．1 Au催化VLS生长GaAs纳米线

4．3．2 Ga自催化VLS生长GaAs纳米线

4．4 硅基Si／GaAs异质结纳米线的有序生长

4．4．1 有序硅纳米线衬底的制备

4．4．2 有序Si／GaAs纳米线的生长

4．5 本章小结

第5章 GaAs纳米线的钝化研究

5．1 引言

5．2 GaAs纳米线钝化的理论机制

5．3 PL谱实验测试系统

5．3．1 PL谱简介

5．3．2 搭建测试系统

5．4 纳米线表面态的影响

5．4．1 变温GaAs纳米线的PL测试

5．4 ．2 钝化对PL峰强的影响

5．4．3 PL谱峰相对强度的理论计算

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果