《若干金屬和非金屬元素改性網路矽材料能帶結構的研究》是依託清華大學，由馮嘉猷擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：若干金屬和非金屬元素改性網路矽材料能帶結構的研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：馮嘉猷
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
直接帶隙半導體材料對於光電積體電路具有重要意義。微電子領域中廣泛套用的矽材料，因其間接帶隙特性限制了它在此領域的套用。本課題組根據第一性原理計算，首次提出了一種潛在的直接帶隙的網路矽納米材料。申請項目擬採用模板法和反應離子刻蝕法研究製備網路矽納米材料，並研究網路矽中孔分布，孔直徑的大小，孔壁的厚度以及孔壁的取向等參數與能帶和發光性能的關係。在成功製備網路矽材料的基礎上，選擇若干非金屬（如O、N、C和Se等）和金屬元素（如Sn和Fe等）進行鈍化和摻雜研究，研究網路矽光學和電學性能隨鈍化和摻雜工藝參數的變化規律，並與理論計算結果進行論證。在取得良好結果的條件下，進一步研究製備網路矽發光二極體，檢測電致發光效率，為網路矽納米材料在光電信息領域的套用打下基礎。本項目屬於套用性的基礎研究工作，將會取得有創新意義的成果，為矽基集成納微光電子學的發展作出貢獻。
結題摘要
本項目利用第一性原理模擬和實驗研究相結合的方法探索一種新型網路矽材料的能帶結構改性。首先通過設計網路矽的理論模型，利用不同元素對網路矽及矽納米線的表面懸掛鍵進行鈍化處理，研究其能帶結構的變化規律，利用光學躍遷矩陣元表征其發光性能。結果表明，利用Si-O-Si橋連鈍化可以對網路矽的能帶結構進行有效的調節，維持直接帶隙能帶的帶邊單一性，並能促使間接帶隙往直接帶隙的轉變。與H鈍化和N鈍化的網路矽相比較，氧鈍化網路矽表現出最高的躍遷效率，表明其直接帶隙的有效性。通過分析不同鈍化條件下網路矽的電子態分布特徵研究表面鈍化對能帶結構的改性機制，提出了態分布效應。 在理論模擬方面，我們也進行了其他的探索。通過設計不同取向的矽量子薄膜，計算其能帶結構隨模型參數的變化規律。結果表明，當厚度小於1.05和1.14nm時，（100）和（110）取向的矽量子薄膜實現間接帶隙往直接帶隙的能帶結構轉變。通過電子態分析，表明其帶隙特徵的轉變源自尺寸減小引起的量子效應和表面鈍化態之間的競爭。 同時，我們對網路矽的理論模型進行了實驗探索。由於電子束曝光無法製備納米級別的矽納米孔陣列，我們利用金屬催化腐蝕的方法，在製備矽納米線的同時腐蝕出尺寸在10nm一下的矽納米孔，並對其生長機制和發光性能進行了系統研究，結果表明，多孔矽納米線中包含一個界面態中心複合的紅光PL峰和一個H鈍化多孔納米結構引起的近紅外PL峰。通過高溫硒化處理，多孔矽納米線的發光強度顯著提高，並且其材料的老化性能也明顯改善。時間分辨螢光光譜測試結果表明，硒化處理的多孔矽納米線中出現了兩個壽命達到ns量級的PL峰，分別是壽命為0.49ns的600nm處的紅色PL峰和壽命為2.68ns的510nm處的綠色PL峰，其屬於表面鈍化誘導的直接輻射複合躍遷。 此外，為了實現小尺寸矽納米線的可控性，我們利用PS小球作為模板製備了矽納米線陣列，並利用乾法氧化和濕法刻蝕對起尺寸進行了調控，最後利用氧化自飽和效應製備出尺寸小於10nm的core-shell結構矽納米線陣列，該材料在矽基光子學具有良好的套用前景。
