硅纳米阵列结构的制备及其光传输性质的实验与理论研究

Recently, the high absorption rate (>90%) of Si nanoparticle array in visible spectral and near-infrared region has attracted much attention, especially in the field of photovoltaic devices, from researchers all over the world. It provides the basis for future design and fabrication of the devices, to understand their optical transmission properties and physical mechanism of Si nanoparticle arrays. However, there has been little consensus yet on the physical mechanism that corresponding to high absorption rate of such nanoparticle array structures. Neither is the traditional film theory applicable, nor could numerical calculations reflect its physical nature. This project intends to develop an ion beam bombarding method to fabricate parameters-controllable Si nanoparticle arrays. Numerical approaches will be adopted to simulate and analyze the optical response of all kinds of investigated Si nanoparticle and particle array structures，a multiple-dipole expansion method will be developed to reveal the contribution of each electric/magnetic dipole; and the omnidirectional high absorption rate at near-infrared region will also be studied by doping or using narrow bandgap semiconductors. The optical properties of Si nanoparticle array structures at visible and near-infrare region will be revealed, subsquently. These studies will offer theoretical guidance on improving the optical absorption performance of nanoparticle array structures and have important significance to the design and application of related photovoltaic devices.

硅纳米颗粒阵列结构由于能够在可见光至近红外光区具有较高的吸收效率，近年来引起了国内外学者的研究兴趣，尤其在光伏器件研究中更受重视。了解硅纳米颗粒阵列结构的光传输性质与物理原理，是未来该类器件设计与制备的基础。然而，目前对于该类结构高吸收光能的物理机制尚有争议，传统的薄膜理论对这类结构不再适用，数值计算方法又不能完整地反映其内在机理。本项目拟主要采用离子束轰击等方法，制备参数可控的硅纳米颗粒阵列结构样品；并利用数值方法对各类硅纳米颗粒及阵列的光响应特性与高吸收机理进行模拟分析，同时开发一种多级子展开方法，分析出纳米阵列各阶电、磁极子分量的贡献。并进一步用掺杂、引入窄禁带半导体等方法，研究硅纳米颗粒阵列对可见光和近红外波段全方向入射光均产生高吸收的原因。通过这些研究，能够为提升硅纳米颗粒阵列结构的光吸收性能提供理论指导，对纳米材料阵列结构在光伏器件的设计与应用中具有重要意义。

硅纳米颗粒阵列结构由于能够在可见光至近红外光区具有较高的吸收效率，近年来引起了国内外学者的研究兴趣，尤其在光伏器件研究中更受重视。了解硅纳米颗粒阵列结构的光传输性质与物理原理，是该类器件设计与制备的基础。然而，目前对于该类结构高吸收光能的物理机制尚有争议，传统的薄膜理论对这类结构不再适用，数值计算方法又不能完整地反映其内在机理。.本项目主要采用离子束轰击等方法，制备了参数可控的硅纳米颗粒阵列结构样品；并利用数值方法对各类硅纳米颗粒及阵列的光响应特性与高吸收机理进行模拟分析，同时开发一种多级子展开方法，分析出纳米阵列各阶电、磁极子分量的贡献。并进一步用掺杂、引入窄禁带半导体等方法，研究硅纳米颗粒阵列对可见光和近红外波段全方向入射光均产生高吸收的原因。基于以上研究，设计了一种新型的导模共振光学滤波器，该滤波器由二氧化硅衬底上的硅薄膜以及二维硅纳米环阵列组成。设计的硅纳米环光学滤波器在近红外范围内的光谱线宽为2.4 nm; 研究了四极模式等离子体共振支持的亚波长金属-介质光栅光学反射滤波器及其光传输性质。设计了一种金属-电介质纳米光栅结构，用于在近红外区域制作单峰窄线宽光学反射滤光器。在项目实施过程中，基于本项目研究过程中产生的成果和经验，推广并成功应用到其他微纳结构材料体系的研究中，并获得一些有意义的新成果。主要包括：MoS2和WS2薄膜及其范德华异质结的光学性质研究、TiO2超薄膜和MgxZn1-xO(0≤x≤0.2)薄膜的光学性质研究、Al 掺杂 ZnO 薄膜与 Al2O3/ZnO多层膜的制备及特性研究，以及氧化锌薄膜和掺铝氧化锌的光学性质研究及其应用等方面。.项目研究所取得的成果，能够为提升硅纳米颗粒阵列结构的光吸收性能提供理论指导，对纳米材料阵列结构在光伏器件的设计与应用中具有重要意义。