硅纳米锥结构的光吸收特性仿真研究.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期硅纳米锥结构的光吸收特性仿真研究王 颖罗宇浏(陕西学前师范学院 陕西 西安)(西安电子科技大学微电子学院 陕西 西安)【摘摘要要】纳米硅阵列材料由于其与体硅材料所不同的新颖的物理性质在硅基探测器件与太阳能电池等光电器件中有着潜在的应用前景 本文通过制备硅基纳米阵列结构来对光进行高效吸收对改善器件的抗反射性能有着明显的影响 本研究利用时域有限差分法在红外波段()设计了具有陷光结构的硅纳米锥阵列结构对具有不同形状和结构的周期性硅阵列纳米锥结构进行了光学性质的仿真研究探究了不同结构参数对于射入光线的反射性能的影响对仿真结果进行了分析 在设计的最优化结构下最低的反射率和无结构的体硅相比从 降低到 【关关键键词词】硅硅 纳纳米米结结构构 抗抗反反射射性性能能【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()【】.().【】作者简介:王颖()女陕西西安本科高级工程师研究方向:计算机应用及信息工程 引言硅纳米线()是一种新型的一维半导体纳米材料由于自身除具有半导体性质以外还体现出了不同于体硅的场发射、热导率等物理性质在纳米电子器件以及光电子器件中有着巨大的市场应用能力因此 是纳米材料领域中一种极具潜力的新材料 将 组合起来的硅纳米阵列()由于自身的纳米效应以及物理性质使其拥有了更多种优良的性能同样也是一种极具研发潜力的材料 早在 年麻省理工学院的 等分析了硅纳米线阵列在太阳能电池中的潜在应用 年加州理工大学的 等在硅纳米线阵列的研究中发现硅纳米线阵列是一种很有前途的太阳能收集应用结构并可能提供一种机械上灵活的替代硅晶圆 但是将硅纳米结构应用到硅基光电探测器中降低其反射率方面的研究还较少急需进一步开展 研究材料本文使用时域有限差分()方法对硅纳米阵列结构进行模拟研究探索硅纳米阵列结构的光学性能特性 方法的基本思想是将麦克斯韦方程组在直角坐标系展开成分量组使连续的空间中的电磁场传播问题用离散的形式进行计算通过中心差商代替常量对时间空间的一阶偏微商通过递推的方式模拟波的传播过程并通过傅里叶变换计算出较大频率范围的透射谱且因为不需要任何形式的导出方程故也不会因为数学模型而限制其应用范围 方法用于学术研究时有着许多的优势其可以利用结构网格的拓扑扩大模型的细节结构构造出高精度的结构格式并可以较精确地求出各时刻空间的各点电磁场分布本文采用的硅纳米锥阵列结构在平面内呈六角晶格周期性排布 由于纳米锥的周期性对其仿真区域 进行设定时只需要选取其中一个原胞结构利用周期性边界条件使其重复排列后即可实现周期性结构 选取初始硅纳米锥的参数为:高度 、底面半径 、周期 硅衬底模型长宽高分别为 、和 区域的三维尺寸为:长度 宽度 高度 入射光设定为平行光垂直入射于纳米结构表面波长范围为 反射率监视器置于光源上方透视率监视器置信息记录材料 年 月 第 卷第 期于硅衬底下方 方向和 方向的边界条件为周期性边界条件(为了实现其周期性扩展)方向的边界条件为完美匹配层()吸收条件 采用控制变量法研究即每次调整其中一项参数(高度 取值范围为 底面半径 取值范围为 周期 取值范围为 )得到反射率与波长的关系曲线并通过所得关系曲线分析硅纳米锥形状对于光学特性的影响 在控制变量的前提下对控制硅纳米线结构的参数进行修改、细分得到最优化的硅纳米线阵列结构参数以及其反射光谱 这一研究为新型高性能硅基红外探测器的研发打下了坚实基础 研究结果自然界中的任何物体都在不断地向外辐射能量当物体辐射出去的辐射能投射到物体表面时能量会根据辐射的情况产生反射、透射、吸收 种能量关系根据能量守恒可有以下关系:()()其中 为总能量 为物体表面吸收能量 为物体表面反射能量 为物体表面透过的能量 /称为吸收率表示被物体表面所吸收的能量占投射到物体表面能量的百分数其反映了物体对辐射能的吸收能力 /称为反射率表示被物体表面反射的能量占投射到物体表面能量的百分数反映物体对辐射能的反射能力 /称为透射率表示透过物体表面的能量占投射到物体表面能量的百分数反映物体对辐射能的透射能力本文基于 方法研究了 种硅纳米锥参数对其结构的光学性质的影响 使用 建立硅纳米锥模型 所谓的“纳米锥”即在硅表面形成的“金字塔结构”其中包含“正金字塔”和“倒金字塔”这种制成工艺叫做“制绒技术”将与光接触的表面制成绒面以减少表面的光反射 故对这种“金字塔”而言所研究的 种硅纳米锥参数包括:硅纳米锥的高度()、底面半径()、周期()高度 对反射率 的影响不同高度的纳米锥对反射率有着至关重要的影响高度的改变伴随着光在结构中的折射与吸收作用 通过只改变硅纳米锥的高度来对模型进行反射率分析同时需要对模型的契合度以及反射率监视器、透视率监视器 以及光源 的高度根据高度的变化保持相对静止研究人员对高度在 (间隔 )的硅纳米锥进行了仿真其结果如图 所示由图 可知在高度 为 时反射率 随着高度的提升而呈下降趋势故在此范围内在 时可以取得反射率的最小值 但在 时由图像可知其反射率相对于 有一定幅度的提升在 或者 中可以取到使反射率最小的 值 在 范围内(间隔 )进行进一步的仿真如图 所示 在 时其反射率曲线变化已经总体低于其他高度水平的反射率值研究人员可以将高度 作为此模型内达成最小反射率的高度确定值图 高度范围内硅纳米锥反射率与波长的关系图 高度范围内硅纳米锥反射率与波长的关系 底面半径 对反射率 的影响不同的底面半径同样改变着光在结构中的反射与吸收作用 同时底面半径并不是可以无穷扩大的底面半径需满足如下条件:()此时的 故在仿真时 的最大取值为 于是半径 与反射率 的关系如图 所示(的取值范围为 间隔 取一个值)由图 可以看出反射率随着底面半径的增加一直减小且反射率最低值应在 时取到但由于计算的精度为间隔 故所得到的结果并不是最精确的需要在 之间进行进一步的仿真以验证最小值的准确性 的反射率与波长曲线如图 所示从图中可以看出反射变化趋势 在 取值为 时反射率随着半径的增加而有着减小的趋势最终在 信息记录材料 年 月 第 卷第 期 时能取得反射率的最小值且低于 和 时的反射率 于是将 确定为能得到最低反射率的模型参数图 半径范围内硅纳米锥反射率与波长的关系图 半径范围内硅纳米锥反射率与波长的关系 结构周期 对反射率 的影响(、)结构的周期对反射率也有重要的影响通过改变其在表面反射后的光程改变了结构的光吸收率从而影响反射率 拟定周期 的取值范围为 仿真之后得到的曲线如图 所示图 周期范围内硅纳米锥反射率与波长的关系由图 可以看出反射率随周期的变化趋势随着周期的升高反射率有着提升的趋势同时在周期 时取到了最小值但这不意味着是最小值前面提到了此时的半径 根据公式 可知此时的周期最小可以为 故继续降低周期提高精确度进行进一步的仿真其结果如图 所示 图 表明了在周期 时整个硅纳米锥模型的反射率 可以取得最小值图 周期范围内硅纳米锥反射率与波长的关系 优化的硅纳米锥阵列的抗反射性能研究人员完成了硅纳米锥的参数确定后便需要和原有的结构进行对比从而判断是否对反射率的降低有优化作用研究人员对比了硅纳米锥和体硅的反射率如图 所示 由图可知硅纳米锥在 范围内的平均反射率约为 这一结果远低于体硅的平均反射率()因此由于硅纳米锥的强抗反射性能所建立的纳米锥结构能显著降低体硅的反射率图 硅纳米锥和体硅的反射率与波长的关系曲线 机理分析由图 可知硅纳米锥阵列能显著降低硅衬底的反射率 因此具有硅纳米锥的表面不需要设计额外的反射层便可以达到良好的光学效果 硅纳米线结构拥有这种优异抗反射性能的原因为硅纳米线具有良好的陷光效应即入射光在入射到硅纳米阵列结构后会经过多次反射与吸 (下转第 页)信息记录材料 年 月 第 卷第 期图 含量对隔离片厚度变化量的影响 结语近年来随着武器装备的发展耐高量级环境力学要求和长航时热电池成为一个趋势比如大量级的旋转或加速度、长时间的大量级振动等流动的电解质会对电池性能造成影响甚至发生溢流而造成短路对抑制剂的抑流性能提出了更高的要求 随着热电池体系的不断拓展对抑制剂的研究也在不断创新和深入 通过控制熔点高、绝缘性好、性能稳定的材料结构达到吸附能力强的目标在结构可控的多孔材料规模合成方面进行探索立足于对制备过程中动力学、热力学的认识实现对多孔材料在纳米尺度上的控制合成设计目标连接的孔道结构在分子尺度上对孔道进行解析得到理想的框架结构等材料【参考文献】李国欣.新型化学电源技术概论.上海:上海科学技术出版社:.(“”):.():.张春晓 穆仕博.热电池在空空导弹上的应用及发展趋势.电源技术 ():.杨潇薇 李科 王静 等.热电池电解质流动抑制剂 的研究.电源技术 ():.吴启兵 向斌 魏俊华 等.多孔氧化镁对热电池安全性能的影响.电源技术 ():.李惠琴 赵嘉莘 黄馨锐 等.热电池隔膜材料的研究进展.中国材料进展 ():.陆瑞生 刘效疆.热电池.北京:国防工业出版社:.石治国.高功率热电池电极材料研究进展.电源技术():.(“”):.():.李长江 张鸿 汤胜 等.热电池常用绝热材料的发展与展望.云南化工 ():.王岩 邢永慧.粘结剂在苛刻力学环境热电池中的应用.电源技术 ():.卢林强.用于热电池的多孔氧化镁纤维表面改性工艺研究.绵阳:西南科技大学.宋学兵 刘效疆 刘联.热电池用电解质流动抑制剂的控制.电池工业 ():.许建峰 赵晋峰 王岩 等.热电池电解质用粘结剂的研究进展.电源技术 ():.杨潇薇 宋学兵 兰伟 等.锂系热电池中电解质粘合剂 的优选.电源技术 ():.中国科学院.中国学科发展战略电化学.北京:科学出版社:.(上接第 页)收使得光的总反射与总吸收次数增加并在这个过程中加强了对光的吸收 因此在仿真结果中研究人员观察到在加上纳米锥之后结构在 的反射率从 显著降低到 这一优异的抗反射能力将大幅提升光电器件的性能 结语在本文中研究人员对硅纳米锥阵列进行了光学特性的仿真研究在光波长为 波段找到了最优的高度、周期和半径值使其实现最优的抗反射性能 当纳米锥阵列的高度为 底面半径为 周期为 时获得了最低的反射率 与没有任何纳米结构的体硅相比硅纳米锥结构可以将体硅的反射率从 显著下降至 因此硅纳米锥阵列具有优异的抗反射性能 这一结果为新型光电探测器的研发打下了坚实基础【参考文献】霍艳寅.硅纳米线的制备及场发射特性研究.石家庄:河北师范大学.():.():.():./.():.