多孔硅電極的光電功能及其應用研究.pdf

1、多孔硅(porous silicon，PS)是近年來發(fā)展起來的一種新型硅基材料，具有與單晶硅材料大不相同的特性。多孔硅可在近紅外和可見，甚至在近紫外光區(qū)輻射強烈的熒光，使得它可用來制造發(fā)光器件，并可望能用來解決光電子集成電路的關(guān)鍵問題，為制造帶有光源的大規(guī)模集成電路——光電集成方面開辟新的途徑。
　　本體硅為間接禁帶半導體，且禁帶寬度比較窄(1.12 eV)，在室溫下很難發(fā)可見光。多孔硅改變了本體硅的能帶結(jié)構(gòu)，使禁帶寬度展寬，并由

2、間接能帶隙向直接能帶隙轉(zhuǎn)變，并能實現(xiàn)室溫發(fā)光。在綜述部分比較了幾種常規(guī)制備多孔硅的方法，概括了多孔硅的光致發(fā)光(photoluminescence，PL)和電致發(fā)光(electroluminescence，EL)特性，對目前比較流行的發(fā)光模型給出了定性的論述，展望了多孔硅的應用前景。實驗研究包括以下幾個內(nèi)容:
　　1.用過氧化氫對多孔硅進行催化氧化處理。采用添加適當配比的過氧化氫的腐蝕液在電化學陽極氧化多孔硅過程中進行處理，綜合分

3、析金相顯微鏡、FTIR和光致發(fā)光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多孔硅表面比較平整、細密、均勻，且氧化納米顆粒比較小，且發(fā)光強度有了明顯提高?？梢郧宄乜吹剑S著過氧化氫的氧化，有效的鈍化了多孔硅表面的非輻射復合中心，熒光強度顯著增加。熒光強度隨Si-O和Si-O-Si鍵的增加迅速增強，可能是由于過氧化氫與有懸掛鏈的表面硅原子進行了氧化，形成了部分Si/SiO2界面，使硅的表面態(tài)發(fā)生了變化，對熒光發(fā)射有增強作用。
　　2.研究了鈦溶膠對多孔硅形成和光

4、電性能的影響。采用添加適量鈦溶膠的刻蝕溶液在光電化學刻蝕單晶硅過程中制備多孔硅。熒光光譜 PL表明，用此方法制備的多孔硅發(fā)光強度明顯增強，用FT-IR光譜表征，樣品表面有亞甲基的反對稱和對稱的伸縮振動(2854，2928 cm-1)出現(xiàn)，可能是鈦溶膠中的有機物質(zhì)在硅表面的作用。通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)用此方法制備的多孔硅表面的裂縫區(qū)域明顯變寬，變長。通過X光電子能譜的分析，添加鈦溶膠制備的多孔硅表面沒有發(fā)現(xiàn)Ti元素，說明鈦元素在制備多孔硅過

5、程中可能起到了催化的作用，或者是與溶膠里的其它物質(zhì)一起影響到了多孔硅結(jié)構(gòu)的一些變化。光照條件下在Fe(CN)63?/Fe(CN)64?溶液中，添加鈦溶膠制備的多孔硅樣品的光電流隨電壓的變化更明顯，具有更好的光電特性。
　　3.TiO2/PS電極的光電性能。采用n型單晶硅拋光片，光電化學陽極氧化刻蝕出多孔硅(PS)，再經(jīng)過TiO2修飾得到復合多孔硅電極，通過掃描電鏡(SEM)觀察發(fā)現(xiàn) TiO2/PS電極表面明顯有一層均勻的TiO2膜

6、，通過熒光分析發(fā)現(xiàn)TiO2/PS的光致發(fā)光強度比多孔硅有所減弱，在紅外光譜分析中，發(fā)現(xiàn)樣品TiO2/PS與樣品 PS相比，由于Ti的存在對Si-O-Si產(chǎn)生一定的影響，1100 cm-1處 Si-O的伸縮振動峰強度明顯有所減弱。通過電流-電壓關(guān)系檢測以多孔硅為基底的復合電極的光電性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn) TiO2/PS電極明顯表現(xiàn)出好的光電特性。在500℃退火處理1小時，TiO2/PS電極有比較好的亮暗電流比和高的光電性能。
　　4.TiO

7、2/Ag/PS電極的光電性能。采用n型單晶硅拋光片，光電化學陽極氧化刻蝕出多孔硅(PS)，再經(jīng)過TiO2和金屬修飾得到復合多孔硅電極。通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，TiO2/Ag/PS電極表面比較粗糙，具有明顯的三層結(jié)構(gòu)。通過光電流-電壓關(guān)系和時間-電流曲線分析發(fā)現(xiàn)，隨時間的變化電流比較穩(wěn)定，TiO2/Ag/PS電極表現(xiàn)出了較好的光電化學穩(wěn)定性，同時異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)也有一定程度的破壞，使得光電響應比 TiO2/PS電極稍弱，這點還有待解決。在600