鈦離子注入對硅納米孔柱陣列表面形貌與光致發(fā)光特性的調(diào)控.pdf

1、采用水熱腐蝕法制備的硅納米孔柱陣列（Si-NPA)，是一種硅的微米/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，它在微米和納米兩個尺度上形成了三重層次結(jié)構(gòu)，即：由大量微米尺寸的、近似等同的、垂直于表面規(guī)則排列的硅柱組成的陣列結(jié)構(gòu)，由高密度納米孔均勻分布于每個硅柱組成的納米多孔結(jié)構(gòu)，以及由氧化硅包裹的硅納米晶粒組成的納米孔孔壁。研究和測試表明，Si-NPA具有很大的比表面積和很強的表面活性、還原性，能夠直接將貴金屬（金、銀、銅、鉑等）從其鹽溶液中還原而不需要使

2、用任何額外的還原劑。與此同時，它還展現(xiàn)出突出的物理特性。一個是廣譜光吸收特性，在200?2400nm的波長范圍內(nèi)，其整體積分反射率小于4％，表明Si-NPA是一種很好的光吸收材料；另一個是強而穩(wěn)定的發(fā)光特性，退火前后能夠發(fā)出很強的紅光和藍光。
　　Si-NPA的形貌結(jié)構(gòu)特征和物理性能，預(yù)示著它可以作為一種理想的襯底或者模板以制備或者組裝多種硅基納米復(fù)合體系，藉此以實現(xiàn)新的物理性能。例如，課題組之前以Si-NPA為襯底，先后制備了金

3、屬/Si-NPA、寬帶隙化合物半導(dǎo)體/Si-NPA、碳納米管/Si-NPA等多種復(fù)合納米體系，并以此為基礎(chǔ)制備了新型納米超低濃度生物分子探測器、氣體/濕度傳感器、發(fā)光二極管、太陽能電池和場發(fā)射冷陰極等原型器件，并獲得了增強的器件性能。其中，Si-NPA主要扮演著組裝模板和功能性襯底雙重角色。
　　在上述研究中發(fā)現(xiàn)，基于Si-NPA的復(fù)合納米體系及其器件的性能，強烈依賴于Si-NPA的表面形貌和結(jié)構(gòu)特點。實驗證明，通過改變水熱腐蝕液

4、的組成和濃度、腐蝕溫度、腐蝕時間等制備參數(shù)以及原始單晶硅片的電阻率（摻雜濃度），可以在一定程度上對Si-NPA中硅柱的面密度、特征尺寸、高度、孔隙率的形貌和結(jié)構(gòu)特征，以及Si-NPA的光學(xué)和發(fā)光特性、電學(xué)特性、表面鈍化狀態(tài)等物理化學(xué)性能進行調(diào)控，這將為實現(xiàn)對Si-NPA及基于Si-NPA的復(fù)合納米體系的物理性能、器件性能的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
　　離子注入是一種被廣泛應(yīng)用于材料表面改性的技術(shù)。對單晶硅片進行離子注入，不僅可以改變單晶硅片

5、的摻雜濃度，同時還可能造成硅片表面的局域微晶化/非晶化，從而引起單晶硅片晶格結(jié)構(gòu)和表面物理化學(xué)狀態(tài)的變化。如果繼之以水熱腐蝕技術(shù)，將為Si-NPA表面形貌和結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供一種新的技術(shù)途徑。
　　本文將以經(jīng)過離子注入及離子注入后退火處理的硅片為出發(fā)點，采用水熱腐蝕技術(shù)制備Si-NPA，并通過與原始單晶硅片制備的Si-NPA進行比較，系統(tǒng)研究鈦離子注入及退火處理對單晶硅片的表面成分與結(jié)構(gòu)，以及Si-NPA的表面形貌和光致發(fā)光特性的影響

6、，對相關(guān)的作用過程和物理機制進行分析，最終對Si-NPA的形貌和結(jié)構(gòu)調(diào)控、物理性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。論文取得以下主要研究結(jié)果：
　　(1)鈦離子注入及注入后退火對單晶硅表面結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成的影響。實驗中，固定注入離子能量為60 keV，采用5X1015cm-2、1X1016cm-2、5X1016cm-2三個注入劑量對原始單晶硅片進行離子注入及高溫退火處理。
　　實驗結(jié)果表明：
　?。╝)鈦離子注入后，單晶硅表面近乎理想、完整

7、的晶格結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞，樣品表面出現(xiàn)局域微晶化和非晶化現(xiàn)象，且離子注入劑量越大，局域微晶化或非晶化的程度越高；
　?。╞)注入的鈦離子在單晶硅中彌散分布，沒有形成分離的鈦結(jié)晶相或者鈦硅合金相；
　?。╟)經(jīng)高溫退火后，單晶硅表面晶格結(jié)構(gòu)得到一定程度的修復(fù)，結(jié)晶性得到一定提高，并在高劑量注入的硅片中觀察到鈦硅合金相。上述結(jié)果為分析離子注入對Si-NPA結(jié)構(gòu)、形貌和物性的影響奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)鈦離子注入及注入后退火對

8、Si-NPA的表面結(jié)構(gòu)和形貌的影響。實驗結(jié)果表明，對于鈦離子注入及注入后退火處理的單晶硅片所制備的Si-NPA:
　　(a)當離子注入劑量較低時，硅柱陣列的大面積均勻性有所降低，即硅柱的面密度分布和尺寸分布均出現(xiàn)不均勻性；但隨著離子注入劑量升高，硅柱的面密度分布和尺寸分布均勻性均有明顯提高;
　?。╞)與原始單晶硅片所制備Si-NPA相比較，離子注入不能明顯改變硅柱的面密度，但隨著注入劑量的增加，Si-NPA中硅柱的直徑和高

9、度均逐漸變小。上述結(jié)果表明，通過離子注入結(jié)合退火處理，可以實現(xiàn)對Si-NPA中硅柱的直徑和高度等幾何尺寸的有效調(diào)控。
　　(3)鈦離子注入及注入后退火對Si-NPA光致發(fā)光特性的影響。
　　實驗結(jié)果表明：
　?。╝)相對于原始單晶硅片制備的Si-NPA，離子注入及注入后退火硅片制備樣品的光致發(fā)光強度均隨離子注入劑量增加而逐漸降低，發(fā)光峰位紅移；
　?。╞)對于組成Si-NPA光致發(fā)光譜的兩個紅光發(fā)光峰，隨離子注入

10、劑量的增加，其相對強度比逐漸減小，及二者的相對強弱發(fā)生逆轉(zhuǎn)；
　　（c)離子注入后退火處理硅片所制備Si-NPA的光致發(fā)光強度要遠遠高于離子注入但未退火硅片所制備Si-NPA的光致發(fā)光強度。上述結(jié)果表明，通過離子注入及注入后退火處理，在調(diào)控Si-NPA形貌的同時也實現(xiàn)了對其光致發(fā)光特性的調(diào)控。
　　(4)水熱腐蝕過程中冷卻時間和加熱時間對Si-NPA表面形貌和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。實驗中，通過固定冷卻時間（加熱時間），調(diào)控加熱時間（冷

11、卻時間）研究了加熱和冷卻時間對Si-NPA表面形貌的影響。實驗結(jié)果表明，通過控制加熱時間可以對Si-NPA的厚度進行調(diào)控，而增加冷卻時間則可以降低Si-NPA表面硅柱的粗糙度。
　　(5)恒溫化學(xué)腐蝕過程中腐蝕時間對Si-NPA表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響。實驗中，在50℃的恒定溫度下，分別對原始單晶硅片和離子注入硅片進行了1?12 h的化學(xué)腐蝕。研究結(jié)果表明，隨化學(xué)腐蝕時間增加，Si-NPA表面硅柱陣列逐漸變得更為均勻、硅柱表面粗糙度降