若干金属和非金属元素改性网络硅材料能带结构的研究

直接带隙半导体材料对于光电集成电路具有重要意义。微电子领域中广泛应用的硅材料，因其间接带隙特性限制了它在此领域的应用。本课题组根据第一性原理计算，首次提出了一种潜在的直接带隙的网络硅纳米材料。申请项目拟采用模板法和反应离子刻蚀法研究制备网络硅纳米材料，并研究网络硅中孔分布，孔直径的大小，孔壁的厚度以及孔壁的取向等参数与能带和发光性能的关系。在成功制备网络硅材料的基础上，选择若干非金属（如O、N、C和Se等）和金属元素（如Sn和Fe等）进行钝化和掺杂研究，研究网络硅光学和电学性能随钝化和掺杂工艺参数的变化规律，并与理论计算结果进行论证。在取得良好结果的条件下，进一步研究制备网络硅发光二极管，检测电致发光效率，为网络硅纳米材料在光电信息领域的应用打下基础。本项目属于应用性的基础研究工作，将会取得有创新意义的成果，为硅基集成纳微光电子学的发展作出贡献。

本项目利用第一性原理模拟和实验研究相结合的方法探索一种新型网络硅材料的能带结构改性。首先通过设计网络硅的理论模型，利用不同元素对网络硅及硅纳米线的表面悬挂键进行钝化处理，研究其能带结构的变化规律，利用光学跃迁矩阵元表征其发光性能。结果表明，利用Si-O-Si桥连钝化可以对网络硅的能带结构进行有效的调节，维持直接带隙能带的带边单一性，并能促使间接带隙往直接带隙的转变。与H钝化和N钝化的网络硅相比较，氧钝化网络硅表现出最高的跃迁效率，表明其直接带隙的有效性。通过分析不同钝化条件下网络硅的电子态分布特征研究表面钝化对能带结构的改性机制，提出了态分布效应。.在理论模拟方面，我们也进行了其他的探索。通过设计不同取向的硅量子薄膜，计算其能带结构随模型参数的变化规律。结果表明，当厚度小于1.05和1.14nm时，（100）和（110）取向的硅量子薄膜实现间接带隙往直接带隙的能带结构转变。通过电子态分析，表明其带隙特征的转变源自尺寸减小引起的量子效应和表面钝化态之间的竞争。.同时，我们对网络硅的理论模型进行了实验探索。由于电子束曝光无法制备纳米级别的硅纳米孔阵列，我们利用金属催化腐蚀的方法，在制备硅纳米线的同时腐蚀出尺寸在10nm一下的硅纳米孔，并对其生长机制和发光性能进行了系统研究，结果表明，多孔硅纳米线中包含一个界面态中心复合的红光PL峰和一个H钝化多孔纳米结构引起的近红外PL峰。通过高温硒化处理，多孔硅纳米线的发光强度显著提高，并且其材料的老化性能也明显改善。时间分辨荧光光谱测试结果表明，硒化处理的多孔硅纳米线中出现了两个寿命达到ns量级的PL峰，分别是寿命为0.49ns的600nm处的红色PL峰和寿命为2.68ns的510nm处的绿色PL峰，其属于表面钝化诱导的直接辐射复合跃迁。.此外，为了实现小尺寸硅纳米线的可控性，我们利用PS小球作为模板制备了硅纳米线阵列，并利用干法氧化和湿法刻蚀对起尺寸进行了调控，最后利用氧化自饱和效应制备出尺寸小于10nm的core-shell结构硅纳米线阵列，该材料在硅基光子学具有良好的应用前景。