CH3-Si(111)基半导体外延结构的电沉积制备及光电性能研究

基于硅基外延结构的低维半导体光电功能材料和器件在现代信息和新能源产业中具有重要的应用价值和前景。传统的汽相外延生长方法需要高真空，高温及复杂昂贵的设备，因此，探索在溶液条件下，利用电沉积方法在单晶硅上电沉积制备高质量半导体外延结构对促进低维半导体光电功能材料和器件的研究和应用具有重要的意义。然而，由于硅基表面在水溶液或空气中易被氧化而失去本征有序结构，使得利用电化学法在单晶硅上制备外延结构具有很大的挑战性和难度。 本课题通过将单晶Si(111)表面进行甲基化修饰获得在溶液电化学条件下稳定存在的有序结构，探索在其上电沉积制备半导体外延结构的内在规律及生长模式，系统研究不同有机添加剂、溶液pH及过电位对外延结构的取向或形貌的影响，从电化学反应动力学和晶体表面能的变化出发，揭示调控半导体外延结构的内在机理，研究半导体外延结构的光电性能与其结构的关系，为制备高性能的硅基半导体外延结构提供新途径。

基于硅基外延结构的低维半导体光电功能材料和器件在现代信息和新能源产业中具有重要的应用价值和前景。 由于硅基表面在水溶液或空气中易被氧化而失去本征有序结构，使得利用电化学法在单晶硅上制备外延结构具有很大的挑战性和难度。 本课题通过将单晶Si(111)表面进行甲基化修饰获得在溶液电化学条件下稳定存在的有序结构，利用电沉积制备得到半导体外延结构，系统研究了不同有机添加剂、溶液组成及过电位对外延结构的取向或形貌的影响，并研究了半导体外延结构的光电性能与其结构的关系。 本课题在执行期间取得了若干进展：（1）发现电沉积半导体薄膜的取向生长与其晶体结构有密切关系，主要是由于不同的晶体结构，其晶面生长具有各向异性生长的特性，而在低过电位生长的晶体取向生长由其表面能决定。(2) 研究了有机添加剂（PVP）对电沉积CuI晶体形貌及相结构的影响。 发现在电沉积CuI溶液中添加PVP对CuI晶体的形貌具有重要的影响，CuI晶体从三角四面体变成纳米线，纳米片，及纳米片组装而成的纳米球，而且发现在PVP存在的情况下，我们得到了只能在高温下才能稳定存在的亚稳态-CuI纳米结构。（3）研究了电化学条件对电沉积AgI晶体取向和形貌的影响，发现电化学过电位对晶体的取向生长具有重要的影响，在低的过电位下，AgI具有(002)/(111)高度取向，并具有纳米柱形貌，而高的过电位则得到非取向的AgI晶体。（4）溶液中金属阳离子对电沉积WO3薄膜的取向及光电性能具有重要影响，我们发现，溶液中有Fe3+存在时， 电沉积得到的WO3薄膜由随机取向变为（001）优先取向，而且其光电性能具有很大的提高。 光生电流强度在0.8 V vs. SCE时，取向薄膜比非取向薄膜增强了6-8倍，而且光转化效率提高了6倍左右，可能的机理涉及高取向的薄膜促进光生电子的转移，这为获得太阳能高转化效率的阳极电极薄膜提供了一条新的途径。