多孔硅電極的光電功能及其應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)行催化氧化處理。采用添加適當(dāng)配比的過氧化氫的腐蝕液在電化學(xué)陽極氧化多孔硅過程中進(jìn)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(xì)密、均勻，且氧化納米顆粒比較小，且發(fā)光強(qiáng)度有了明顯提高。可以清楚地看到，隨著過氧化氫的氧化，有效的鈍化了多孔硅表面的非輻射復(fù)合中心，熒光強(qiáng)度顯著增加。熒光強(qiáng)度隨Si-O和Si-O-Si鍵的增加迅速增強(qiáng)，可能是由于過氧化氫與有懸掛鏈的表面硅原子進(jìn)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)度明顯增強(qiáng)，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(jī)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(xué)陽極氧化刻蝕出多孔硅(PS)，再經(jīng)過TiO2修飾得到復(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(xué)陽極氧化刻蝕出多孔硅(PS)，再經(jīng)過TiO2和金屬修飾得到復(fù)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(xué)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(yīng)比 TiO2/PS電極稍弱，這點還有待解決。在600