多孔硅的光谱特性研究

论文摘要

随着多孔硅技术的逐渐成熟,多孔硅由于其特殊的微结构在光学和电学性质方面表现出优异的性能、吸收光谱范围极宽、制备成本低廉和良好的工艺兼容性等优点受到了极大的关注和应用。多孔硅的结构和光学性质对其在在实际应用研究中的性能表现有巨大的影响。因此本文从研究多孔硅结构的角度出发,使用仿真和实验的方法,对多孔硅的光学性能进行研究。首先,通过仿真的方法对多孔硅的结构以及光学性质进行了系统的研究。设计了柱状和孔状两种多孔硅的仿真模型,分别进行两种结构的模型参数对光学性能的影响研究。仿真结果表明,孔状多孔硅结构的光学性能与孔的深度、半径和孔隙率的有关系;柱状结构的光学性能受柱深度、半径以及柱间距的影响。然后,进行了多孔硅的实验方案设计与制备,研究实验参数对多孔硅性能的影响。得到了具有不同形貌的裂纹结构,建立了裂纹形成模型。通过蚀刻时间对多孔硅形貌和光谱的影响实验,发现多孔硅的裂纹尺寸随着刻蚀时间的增加而增加,并且较长的蚀刻时间时会出现孤立的结构,裂缝的深度和宽度共同影响吸收率,使其先增加然后减小。根据刻蚀电流密度对多孔硅的影响实验,发现随着电流密度的增加,多孔硅的横向刻蚀增强,裂纹尺寸增大,吸收率逐渐降低;当到达临界电流密度时将会产生抛光现象,并使吸收率接近平面硅。由刻蚀溶液对多孔硅的影响实验发现,HF浓度较小时,刻蚀深度减小、裂纹间距增加,使吸收率降低;C2H5OH浓度主要影响着多孔硅的横向刻蚀过程,当C2H5OH的浓度增加时,刻蚀深度几乎不变,但是减小了表面的结构压力,使裂纹的尺寸减小,吸收率增加。最后,进行了多孔硅高吸收率光谱范围延长的研究。一方面,通过多孔硅复合结构的制备延长高吸收率光谱范围。首先建立了孔洞标准分布和随机分布复合结构多孔硅的两种仿真模型;其次设计了两种复合结构多孔硅的制备方案。实验结果发现,低浓度HF溶液制备的复合结构多孔硅表面的孔洞数量较小,能够继续减小反射率的能力有限;使用H2O2制备的复合结构多孔硅不仅能够加快腐蚀速度,同时制备的复合结构多孔硅的孔洞数量远高于前者,在宽波段范围内具有较高的吸收率。另一方面,通过制备石墨烯/多孔硅结构进行高吸收率光谱范围的延长。实验结果显示,石墨烯/多孔硅结构的样品能够大幅增加吸收率,实现可见到近红外全波段宽光谱范围内的吸收率达到90%上,实现了高吸收率光谱范围的延长。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 多孔硅简介
•     1.2.1 黑硅的发展及定义
•     1.2.2 多孔硅的发展及定义
•     1.2.3 多孔硅的制备方法
•   1.3 多孔硅的性质
•     1.3.1 结构性质
•     1.3.2 光学性质
•     1.3.3 电学性质
•   1.4 多孔硅的国内外研究现状
•   1.5 本文的研究思路及内容安排
• 第二章 多孔硅结构与光学性能仿真及分析
•   2.1 引言
•   2.2 建模仿真方法与原理
•     2.2.1 Materials Studio介绍
•     2.2.2 仿真方法及FDTD Solutions介绍
•     2.2.3 仿真方案设计
•   2.3 结构仿真
•     2.3.1 晶体模型分析
•     2.3.2 多孔硅的仿真模型搭建
•   2.4 光学性能仿真
•     2.4.1 孔状模型的光学性能分析
•     2.4.2 柱状模型的光学性能分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 多孔硅的制备技术及测试技术
•   3.1 引言
•   3.2 多孔硅制备方法及原理
•   3.3 实验材料及设备
•     3.3.1 实验材料
•     3.3.2 制备试剂
•     3.3.3 电化学腐蚀槽的设计与制备
•     3.3.4 实验设备
•   3.4 制备工艺流程
•     3.4.1 衬底预处理
•     3.4.2 多孔硅的制备
•     3.4.3 多孔硅的保存
•   3.5 多孔硅的性能测试技术
•     3.5.1 形貌测试
•     3.5.2 光谱测试
•   3.6 本章小结
• 第四章 制备工艺对多孔硅结构和光谱特性的影响研究
•   4.1 引言
•   4.2 影响多孔硅结构和光学特性的实验参数
•   4.3 刻蚀时间对多孔硅的影响
•     4.3.1 实验方案
•     4.3.2 多孔硅裂纹的形成机理
•     4.3.3 刻蚀时间对多孔硅形貌结构的影响
•     4.3.4 刻蚀时间对多孔硅光学性质的影响
•   4.4 刻蚀电流密度对多孔硅的影响
•     4.4.1 实验方案
•     4.4.2 刻蚀电流密度对多孔硅形貌结构的影响
•     4.4.3 刻蚀电流密度对多孔硅光学性质的影响
•   4.5 溶液成分对多孔硅的影响
•     4.5.1 HF浓度的影响
•     4.5.2 C2H5OH浓度的影响
•   4.6 本章小结
• 第五章 多孔硅高吸收率光谱范围延长的研究
•   5.1 引言
•   5.2 多孔硅复合结构的制备及光学性能研究
•     5.2.1 复合结构多孔硅的设计与仿真
•     5.2.2 使用HF溶液制备复合结构多孔硅
•     5.2.3 使用H2O2 制备复合结构多孔硅
•     5.2.4 不同溶液对复合结构多孔硅的影响
•   5.3 石墨烯/多孔硅结构的制备及光学性能研究
•     5.3.1 实验方案及制备工艺流程
•     5.3.2 石墨烯/多孔硅结构的形貌结构
•     5.3.3 石墨烯/多孔硅结构的光学性能
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 许峻文

导师: 杨亚培

关键词: 多孔硅,裂纹,光谱特性,复合结构,石墨烯

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 电子科技大学

分类号: TQ127.2;O433

总页数: 92

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