硅纳米孔柱阵列的电子跃迁特性研究.pdf

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1、AdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofDoctorStudyontheelectronictransitionmechanismsofsiliconnanoD0rousDlllararray●llByZhengangHuSupervisor：Prof．XinjianLiCondensedmatterphysics—rPhysicalEngineeringCollegeMay，2014原创性声明岫LllLtlllMIILtlllllLlullILllllIIIIIII

2、IY2547193本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：鼍诉绸日期：2叭年5月，5日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可

3、以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文储蜘纠日期：2014年5月15日摘要摘要硅纳米孔柱阵列(Siliconnanoporouspillararray，Si-NPA)是一种典型的多孔材料和硅纳米晶(Siliconnanocrystallites，nc．Si)／氧化硅(SiO。)纳米复合体系，研究其在光学过程中的电子跃迁特性有助于进一步了

4、解Si-NPA各种物理特性的内在机制，为未来设计和制备基于Si-NPA的不同功能纳米异质结器件提供基础性的理论支持。本文综合利用了表面光电压(Surfacephotovoltage，SPV)谱、光致发光(Photoluminescence，PL)谱等对水热法和染色腐蚀法制备的Si．NPA、经过不同温度热处理的Si-NPA和基于Si．NPA制备的聚乙烯咔唑(PVK)／Si-NPA有机．无机复合结构进行了研究，得到了一下主要结论：一、Si．NPA多孔层中nc．SUSiO；纳米结构的电子跃迁特性对比单晶硅和Si-NPA的SPV谱发现，Si-NPA

5、多孔层中nc．Si／SiOx纳米结构在～580nm一300nto的波长范围内具有明显的SPV响应。在外加不同电场时，nc．Si／SiO。纳米结构的SPV响应完全不同于单晶硅层SPV响应的变化规律，说明nc．Si／SiO。纳米结构的SPV被nc．Si／无定形SiO。界面上某种界面局域电子态所主导。对Si．NPA在空气中进行退火氧化，随着退火温度从100℃升至500℃时，位于～580nm到～300nm之间来自多孔层的SPV响应会逐渐减弱直至几乎完全消失；同时，位于红光区的单PL带在200。C时分裂为两个PL带，500。C时大幅减弱直至完全消失；

6、位于红光．近红外区的PL带则逐渐增强。与此同时，在紫光一蓝光区内出现一新的PL带形成并逐渐增强。Si．NPA经过两年空气中自然氧化后，来自于单晶硅层的SPV完全消失，仅表现出多孔层nc．Si／SiOx纳米结构的光吸收特征。分析表明，Si-NPA样品中多孔层nc．Si／SiOx纳米结构的SPV和红光PL都是来自于nc．Si与无定形SiOx结构的界面上Si．O结构相关的界面局域电子态所主导的电子跃迁，而位于红光．近红外区域的PL来源于与Si=O结构相关的局域电子态所诱导的复合发光，紫光．蓝光PL来自于nc．Si表面上所形成的O缺陷所诱导的复合发

7、光。二、Si．NPA电子跃迁特性在不同制备过程中的变化摘要水热法制备的不同腐蚀时间的SEM照片表明只有当腐蚀时间超过25分钟以上时在多孔层中才能形成规则的纳米多孔硅阵列结构。比较各个样品的SPV谱，发现当腐蚀时间从10分钟增加到45分钟的过程中各个样品的光吸收特征发生了很大的变化，这主要归因于nc．Si粒径尺寸分布在不同腐蚀时间样品中的不同。在～5800nm到～300nm的波长区间内出现的SPV响应带的强度会随着水热腐蚀时间从10分钟变化到45分钟的过程逐步减弱，而且位于～550nm一800nm波长区间内的PL带的强度也会随着减弱，这些结果

8、都说明在水热腐蚀时间增加的过程中多孔层nc．Si／无定形SiO。结构的界面上的氧化程度在逐步下降，并且导致了界面上与Si．O结构相关的界面局域电子态的数量也在逐步下降。染色法制备