多孔硅及其材料课件.pptVIP

多孔硅材料及其性能;Contents;硅是当代微电子技术的核心材料，但硅是间接带隙结构，发光效率很低(约为10-6)，因而长期以来，被认为不能用于光子学中起关键作用的光源。;;多孔硅根据其孔径尺寸从小到大可划分为纳米孔硅（1～10nm）、介孔硅（10～500nm）和大孔硅（1～5μm）。;;相关参数

HF浓度、硅片类型参数、光照、电流密度、孔度

孔度：电化学处理时，腐蚀掉的硅的质量分数

孔度越高，发射的波长越短。

高孔度（70%）可用作发光材料

简单制备方法

硅在HF溶液中进行电化学腐蚀（单槽和双槽）;2.多孔硅的原理;多孔硅的孔径大小由制备时的相关条件决定，如：蚀刻液浓度、蚀刻电流密度、蚀刻电流方式、硅片类型、硅片前处理方式和后处理方式等条件。

直至今日，对于多孔硅的形成机理存在争论。不同学者提出了主要包括研究模型：扩散限制模型、场强化模型、表面弯曲模型、耗尽层模型和量子限制模型。

;2.多孔硅的原理（研究模型）;;;;3.多孔硅的制备;水热腐蚀法为一种高压液相体系，制备过程是将硅片固定在高压水热釜的内衬里，然后加入含氟腐蚀液，在一定温度下进行水热反应，通过控制腐蚀液的浓度和组成，可以制得红光、蓝光和紫外光发射的多孔硅层。

水热腐蚀法优点：发光性能稳定、发光强度高、微观结构均匀、机械稳定性好和样品制备的可重复率高等。但是由水热腐蚀法制备的多孔硅层存在着发光强度被衰弱和发光峰位的蓝移等问题。

;1993年Noguchi和Suemune提出了光化学腐蚀法。反应所需的空穴载流子通过光照硅基体产生，而非从外电路电极提供。使用的腐蚀溶液除了HF溶液外，还有加氧化剂的HF/H2O2、HF/FeCl3、HF/I2等体系，大大缩短了制备时间，从1h缩短到10~30min。光化学腐蚀法使用的光源大多数为可见光和紫外光。

而I.H.Cho等人的研究表明，使用单色低强度X射线也可制得多孔硅，但是用混合波长高强度X射线便产生抛光现象，腐蚀速率为1.5nm/min。

;4.多孔硅发光特性;根据能带结构的能量与波矢量关系(如下图所示)，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接带隙材料和间接带隙材料。

在直接带隙材料中，???带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。

在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。;在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。

在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。

所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制作光源。因此多孔硅发光在光电技术中具有十分重要的意义！;硅在HF溶液中经电化学腐蚀，成为多孔状——多孔硅。

孔度：电化学处理时，腐蚀掉的硅的质量分数。

低孔度多孔硅：主要用于集成器件的隔离和SOI材料的绝缘衬底；

高孔度多孔硅(高于70％)：可用作发光材料，孔度越高，发射光的波长就越短。;研究中发现，只有高孔度(高于70％)的多孔硅才能发光，而且孔度越高，发射光的波长就越短。

当孔度达到80％以后，相邻的孔将连通，留下一些孤立的晶柱或晶丝；

鲍希茂等认为，多孔硅是由许多小颗粒组成，颗粒的内核是有序的，外面覆盖一个无序壳层，这些颗粒在空间堆成无规则的珊瑚状，有序晶核的排列保持原来单晶的晶向。;4.1多孔硅发光的基本理论;多孔硅发光的基本理论;4.2多孔硅的荧光特性;;多孔硅的荧光特性;在上述几种发光带中．最重要的是S带(SlowBand，它的衰变时间慢)，因为这种光可以通过电激发产生。;由于多孔硅自身的高活性，极易被氧化而失效；

研究人员对多孔硅进行表面修饰，修饰后的多孔硅发光效率、稳定性明显提升，在发光器件中的应用潜力大大提升；

研究人员发现，在多孔硅的表面覆盖或向多孔硅中填充金属、氧化物、金属盐、半导体、碳、硫等材料形成的复合材料有着独特的性能；

沉积物／多孔硅复合结构能够明显提高多孔硅的性能，基于复合结构的传感器稳定性更好、气体敏感性更好；

复合结构甚至会产生新的性能，例如氧化性物质／多孔硅结构展现出了作为含能材料的潜力。

多孔硅复合材料的优异性能，使其可以应用在传感器、含能材料、磁性器件、生物医学、锂离子电池、超级电容器等诸多领域。

;5.1多孔硅复合材料的制备;纳米材料与多孔硅的复合体系是引人注目的前沿领域，小尺寸效应、界面效应及量子尺寸效应导致产生许多奇异的物理、化学特性。多孔硅复合结构因其特殊