纳米半导体材料在光学领域中的应用

纳米半导体材料在光学领域中的应用摘要：应用纳米科学技术可以引发光电子、微电子、环保等诸多领域的革命，推动社会经济的腾飞。纳米电子学、纳米光电子学和纳米光子学将成为21世纪信息时代的关键技术。由于纳米半导体光电子材料蕴藏着许多新的物理信息和可资利用的独特功能而具有极其广阔的发展前景。它是半导体光电子材料的一颗新星。它的出现，意味着半导体光电子材料向低维化方向发展。关键词：半导体材料、纳米粒子、纳米硅薄膜、光电材料正文部分：1.引言半导体光电子材料经过几十年的发展，已经成为在国民经济和军事等领域得到广泛应用、充满生机的一类电子信息材料。在信息化时代加速了该材料的升级，使它更加异彩纷呈，引人瞩目。在20世纪90年代全球掀起的纳米科技浪潮推动下，纳米半导体光电子材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料和纳米生物材料等纳米材料应运而生。纳米材料是指尺寸为1～100nm（1nm=10-9m）的各种固体材料。纳米半导体光电子材料是纳米材料（1）家族中的重要成员，它的崛起是光电子材料发展的一次新的飞跃，成为发展新特性、新效应、新原理和新器件的基础。当半导体光电子材料的尺寸减小到纳米量级时，其物理长度与电子自由程相当，载流子的输运将呈现量子力学特性，宏观固定的准连续能带消失而表现出分裂的能级，因而传统的理论和技术已不再实用。纳米半导体光电子材料技术是一种多学科交叉的科学和技术，该领域充满了巨大的创新机会和广阔的发展前景。1.1.纳米半导体材料与器件硅纳米结构的尺寸小到一定范围时，将会出现量子（2）限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应，从而使它呈现出诸多新颖性质，其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光，且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。最近，科学家已经利用硅纳米结构所呈现的这些新颖性质和效应，开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。因此，该类纳米材料展现出广阔的应用前景1.2.半导体复合纳米粒子半导体纳米粒子由于具有量子尺寸效应，表面界面效应和小尺寸效应而具有优异的光学性质(如非线性光学响应及室温光致发光)，光电催化特性和光电转换特性。半导体纳米粒子复合后的性质并不是单个纳米粒子性质的简单加和，而是具有更优异的性能，可用于光电太阳能转换，废物处理及功能陶瓷的制备等。研究半导体复合纳米粒子，发展新型纳米半导体复合材料是纳米半导体领域研究的新热点。1.2.1.半导体复合纳米粒子的制备半导体复合纳米粒子的复合方式有核-壳结构、偶联结构（3）、固溶体和量子点量子阱。核-壳结构的复合纳米粒子制备时有一定的加料顺序，即先生成核，再在核外生成另一种半导体粒子对其进行包覆。偶联结构的复合粒子可分别制备然后混合或一次形成，这依赖于两种半导体粒子的属性、生成速率和溶度积的差别。固溶体的制备则必须在同一体系中同时完成。1.3.纳米光电材料的良好特性用于光电的半导体材料在尺度缩小到纳米尺度时会表现出与大尺寸材料不同的光学点穴性质。这是因为当材料尺寸减小时会显现出量子化的效果。由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中,在此条件下,导带和价带能带过渡为分立的能级。因而有效带隙增大,吸收光谱阈值向短波方向移动,这种效应就称为尺寸量子效应。量子尺寸效应除了会造成光学性质发生变化还会引起电学性质的明显改变。这是因为随着颗粒粒径的减少,有效带隙增大,光生电子具有更负的电位,相应地具有更强的还原性,而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性。表面效应（4）是纳米光电子材料的另一个重要特性。纳米粒子表面原子所占的比例增大。当表面原子数增加到一定程度，粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定。由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了它有更高的活性。由此可以看出纳米光电材料比普通光电材料有更高的光催化活性。22.1.太阳能转换为化学能光解水产生氢气（5，6）在CdS—ZnS体系中，不论是核-壳结构的CdS/ZnS还是ZnxCd1-xS固溶体，加入空穴俘获剂，连续光解，氢的产率远高于纯CdS粒子单独存在时的产率。入射波长λ400nm时，连续光解10—12h，氢的产率随ZnS含量的增大而提高，Zn:Cd=1:1时，产率最高。2.2.太阳能转换为电能太阳能电池：太阳能电池的光电转换效率是四个因子的乘积（7）：η=Kthr×Kst×Y×f×100%(a)Kthr表征了由于半导体中光吸收的量子特性所引起的能量损耗，Kthr与半导体的禁带宽度有关。(b)Kst表征能量储存的效率，即利用在光激发过程中产生的电子-空穴对的能量(≈Eg)作有用功的效率。光电太阳能电池中Kst=eφ0,cph/Egφ0,cph—开路光电势(c)Y是量子产率等于通过电池外电路传输的电子数与在光转换器表面的入射光量子数之比。Y=iph/eJ,在再生式电池中，iph=isp.c—电池的短路光电流。实际上，量子产率表征了光生电荷分离的效率。(d)f是电流-电压特性曲线的填充因子，由于Ohm电压降以及通过电流时光化学电池的超电压所引起的能量损耗，对于再生式电池，2.3.一维纳米材料（10）当一维半导体材料的直径与其德布罗意波长（8）相当时，它的导带与夹带进一步分裂，其能隙会随着直径减小而变大。这样以来量子限制效应、非定域量子相干效应和非线性光学都会表现明显。定向耦合器（9）(DC)是波分复用网络中最常用的基本元件之一。Yamada等人首次报道了一种基于纳米线波导的定向耦合器,两个耦合波导的横截面尺寸为0.3μm×0.3μm,间距仅为0.3μm。由于两个波导之间很强的耦合作用,定向耦合器的耦合长度仅为10μm,当耦合波导之间的间距减少时,波导长度还可以进一步缩短。由此可以制作出结构非常紧凑的3dB耦合器。在此基础之上,他们还制作了一种基于纳米线波导的Bragg反射型光上/下路复用器，它由两个在侧壁上刻有Bragg光栅的纳米线波导和两个基于纳米线波导的3dB耦合器构成。下路波长带宽不超过0.7nm,下路波长时输出端的消光比为8dB,其下路波长可以通过改变光栅参数来进行调节。将SOI纳米线引入到热光开关中,有助于器件尺寸和功耗的减小。Chu等人首次报道了基于纳米线波导的1×1、1×2和1×4的Mach2Zehnder干涉型热光开关。光开关中采用的纳米线波导的横截面尺寸为300nm×300nm,这些热光开关器件所占的面积分别为140μm×65μm、85μm×30μm和190μm×75μm,消光比超过30dB,开关功耗低于90mW,开关响应时间小于100μs。2.4.纳米硅薄膜发光特性纳米硅薄膜是由纳米尺寸的硅微晶粒构成的一种纳米固体材料,其晶粒所占的体积约为50%,另外50%则为晶粒之间的大量界面原子所占据。纳米硅薄膜由于独特的结构而具有一系列独特性质,如电导率高、光热稳定性好、光吸收能力强、光学能隙宽化、光致发光等,而且还具有明显的量子尺寸效应。近年来,已成功地研制了纳米硅异质结二极管，并正展开纳米硅薄膜（11）太阳电池的研制,展现了纳米硅薄膜器件的广阔前景。紫外光电探测器方面,O.M.Nayfeh等人制作了纳米Si薄膜紫外光电探测器。他们首先以电化学分解法在HF-H2O2混合液中制备了尺寸为1nm的纳米Si晶。然后开始器件的制作:在P型衬底上生长500nm的氧化层;接着用氢氟酸缓冲液在氧化层上刻蚀出器件图形;然后将硅片浸入纳米硅晶的酒精悬浊液中,用一种类似于金属电镀的电化学电镀方法,将纳米Si晶淀积到已刻蚀出的氧化层图形中,淀积厚度约500nm;最后,在纳米Si晶膜上淀积一层厚为4nm的半透明Au层,Au层之上和衬底背面分别淀积厚300nm的Au凸点,作为器件的引出电极。器件对可见光有很好的过滤特性,而对紫外光有较好的响应。参考文献：（1）GleiterH.Nanostructuredmaterials:basicconceptsandmicrostructure[J].ActaMaterialia,2000,48:1-29（2）M.Planck，ASurveyofPhysicalTheory，transl.byR.JonesandD.H.Williams，Methuen&Co.，Ltd.，London1925(Dovereditions1960and1993)includingtheNobellecture.（3）TerronesM.Scienceandtechnologyofthetwenty2firstcentury:Synthesis,properties,andapplicationsofcarbonnanotubes[J].Annu.Rev.Mater.Res.,2003,33:4192501.（4）HuangM,MaoS,HenningF,etal.Roomtemperatureultravioletnanowirenanolasers[J].Science,2001,292:189721899.（5）MewsA,EychmullerA,GaersigM,etal..J.Phys.Chem.,1994,98:934～941.（6）YounHyeongChan,SubhashBaral,FendlerJH.J.Phys.Chem.,1988,92:6320～6327.（7）波利斯科夫著，张天高译.光电化学太阳能转换.北京：科学出版社，1989年：59～63.（8）《波动力学导论》（1929）（9）廖承恩.微波技术基础.西安：西安电子科技大学出版社（10）裴立宅，唐元洪，郭池，张勇，陈扬文．一维硅纳米材料的光学特性[J]．人工晶体学报，2006．（11）徐学俊，余金中，陈少武．SOI纳米线波导和相关器件研究进展[J]．半导体光电，2007．NmsemiconductormaterialinthefieldofapplicationsintheopticalAbstract：Applicationofscienceandtechnologythatcouldtriggeroptoelectronics,themicroelectronicsandenvironmentalprotectionandsothefieldofsocialandeconomicrevolutionanddrivethebrightfuture.thatelectronics,nmopto-electronicsandnmwillbeinthe21stcenturyinformationage.thekeytechnologythatthesemiconductoroptoelectronicsmaterialcontainsmanynewphysicalinformationandareofuniquefunctionofextremelywiderangeofperspectives.itisthesemiconductoroptoelectronicsofanewstarappeared.itmeansthatthesemiconductorphotoelectricKeyWords：Semiconductormaterial、Nmparticles、Nmsiliconfilm、Displaymaterial