一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法
阅读说明：本技术 一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法 (Low-dimensional silicon design preparation method capable of generating hot carrier relaxation effect ) 是由 严文生 臧月 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法,包括S10,声子能带设计；S20,设计具有人工声子带隙的低维硅结构；S30,制备结构化的低维硅；S40,结构表征与功能化测量。本发明根据设计的具有人工声子带隙结构的低维硅结构,采用本发明的制备方法,可以实现结构规整、均一性好、高重复性的二维周期性硅结构。(The invention discloses a low-dimensional silicon design preparation method capable of generating hot carrier relaxation effect, which comprises S10, designing a phonon energy band; s20, designing a low-dimensional silicon structure with an artificial phonon band gap; s30, preparing structured low-dimensional silicon; and S40, structural characterization and functional measurement. According to the designed low-dimensional silicon structure with the artificial phonon band gap structure, the preparation method can realize the two-dimensional periodic silicon structure with regular structure, good uniformity and high repeatability.)
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法。
背景技术
一般地说，热载流子是指初始动能至少在导带(或价带)kBT以上的玻尔兹曼分布中的电子(或空穴)。它们是由外部光激发后产生的非平衡载流子随后的热化。这些热载流子通过诸如载流子-声子散射、俄歇过程等载流子冷却过程，最终与半导体晶格相互作用达到平衡。热载流子弛豫是指延缓热载流子冷却时间。利用热载流子弛豫效应原理，可在高效太阳能电池、光探测器、场效应晶体管集成电路等领域具有重要的应用前景和价值。
到目前为止，热载流子弛豫效应已在许多材料及结构中发现，比如，石墨烯薄膜、III-V半导体量子阱或纳米线、碳纳米管、过渡金属硫族化合物、黑磷、钙钛矿薄膜、硅量子点，等等。相比于这些以前的报道，本发明关注的材料及结构是新型人工结构化的低维硅薄膜。优势有二：一是硅材料具有无毒性、地壳储量丰富、器件性能稳定等优势。硅是目前集成电路和光电器件应用中使用最多、最成熟的半导体材料。二是，相比于硅量子点，硅薄膜极其人工结构化在制备上具有高度可控性、结构可重复性、均匀性等优点，从而能够使不同批次的器件性能保持高度稳定性和一致性。
发明内容
基于上述目的，本发明提出了一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法，包括以下步骤：
S10，声子能带设计；
S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构；
S30，制备结构化的低维硅；
S40，结构表征与功能化测量。
优选地，所述S10，声子能带设计，包括以下步骤：
S11，选择原始样品为三氧化二铝衬底上外延一层厚度为400-600nm的超薄单晶硅薄膜；
S12，对该样品进行建模并模拟计算：构建模拟，使二维结构上具有孔洞，并呈正方形排列，其中有3个变量，分别为薄膜的厚度d、孔洞的半径r以及孔洞周期长度P，其中，d>0，r>0，P>2r。
优选地，所述S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构，包括以下步骤：
S21，在材料机械属性方面，设定薄膜的材料为晶硅，孔洞为空气，在计算时，采用硅和空气的弹性常数各自代表这两种材料；
S22，在计算声子晶体带隙时，采用含时间变量的广义弹性波方程，由于本结构具有周期对称性，在计算时，只需计算一个最小单胞，并加布洛赫周期性边界条件；
S23，对该样品进行模拟计算，使之呈现声子禁带；
S24，从模拟计算得到参数为：r＝530nm，P＝1100nm。
优选地，所述S30，制备结构化的低维硅，包括以下步骤：
S31，将原始样品分别经过乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗，再将样品吸附固定在均胶仪上，在样品上旋涂一层液态PMMA，衬底加热温度为200-280℃，旋转速度2000-3500转/min，在衬底上形成一层PMMA薄膜，厚度为300-400nm；
S32，将上述样品送入电子束曝光设备，利用电子束在涂有感光胶的衬底上直接描画，电子束在样品表面上扫描出S20中设计的低维硅结构；
S33，将上述样品送入反应离子刻蚀腔进行刻蚀处理，反应气体为SF6和O2，SF6流量为50-70sccm、O2流量为40-55sccm、腔内压力为30-50mTorr、射频功率范围为80-120W、刻蚀时间7-12s，将圆形区域的硅去除，形成由孔洞阵列组成的二维硅结构。
优选地，所述S31中超声清洗时间5-20min。
优选地，所述S32中电子束曝光采用扫描曝光模式。
优选地，所述S40，结构表征与功能化测量，包括以下步骤：
S41，将S30获得的样品进行扫描电镜表征；
S42，采用超快瞬态吸收测量热载流子弛豫效应特征。
本发明有益效果至少包括：
1、根据对二维硅结构热载流子弛豫特性的测量，具有明显的抑制热载流子复合的作用；热载流子寿命从2-3皮秒显著增加到大于20皮秒；
2、基于抑制热载流子热化的原理，本发明制备的二维硅结构可用于发展超高转换效率太阳能电池、光探测器、场效应晶体管集成电路等器件；
3、通过结构规整、均一性好、高重复性的二维周期性硅结构制备方法，实现新型结构热载流子弛豫效应。
附图说明
图1为本发明实施例可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法的S20设计的具有人工声子带隙的二维硅示意图；
图3为本发明实施例可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法的S20设计的具有人工声子带隙的二维硅能带图；
图4为本发明实施例的可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法制备的二维结构化硅薄膜的扫描电镜图；
图5为本发明实施例的可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法制备的二维结构化硅薄膜和现有技术的参考样品超快瞬态吸收谱对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，包括以下步骤：
S10，声子能带设计；
S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构；
S30，制备结构化的低维硅；
S40，结构表征与功能化测量。
S10，声子能带设计，包括以下步骤：
S11，选择原始样品为三氧化二铝衬底上外延一层厚度为400-600nm的超薄单晶硅薄膜；
S12，对该样品进行建模并模拟计算：构建模拟，使二维结构上具有孔洞，并呈正方形排列，参见图2，其中有3个变量，分别为薄膜的厚度d、孔洞的半径r以及孔洞周期长度P，其中，d>0，r>0，P>2r。
S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构，包括以下步骤：
S21，在材料机械属性方面，设定薄膜的材料为晶硅，孔洞为空气，在计算时，采用硅和空气的弹性常数各自代表这两种材料；
S22，在计算声子晶体带隙时，采用含时间变量的广义弹性波方程，由于本结构具有周期对称性，在计算时，只需计算一个最小单胞，并加布洛赫周期性边界条件；
S23，对该样品进行模拟计算，使之呈现声子禁带；参见图3，点状的虚线为该声子晶体的频率能带结构，中间实心区域为声子禁带。
S24，从模拟计算得到参数为：r＝530nm，P＝1100nm，d＝500-600nm。
S30，制备结构化的低维硅，包括以下步骤：
S31，将原始样品分别经过乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗，各自超声清洗时间为5-20min；再将样品吸附固定在均胶仪上，在样品上旋涂一层液态PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，衬底加热温度为200-280℃，旋转速度2000-3500转/min，在衬底上形成一层PMMA薄膜，厚度为300-400nm；
S32，将上述样品送入电子束曝光(EBL)设备，利用电子束在涂有感光胶的衬底上直接描画，采用扫描曝光模式，电子束在样品表面上扫描出S20中设计的低维硅结构，即图2的图形结构；
S33，将上述样品送入反应离子刻蚀腔(RIE)进行刻蚀处理，反应气体为SF6和O2，SF6流量为50-70sccm、O2流量为40-55sccm、腔内压力为30-50mTorr、射频功率范围为80-120W、刻蚀时间7-12s，将圆形区域的硅去除，形成由孔洞阵列组成的二维硅结构。
S40，结构表征与功能化测量，包括以下步骤：
S41，将S30获得的样品进行扫描电镜表征；得到的实际电镜图参见图4。
S42，采用超快瞬态吸收测量热载流子弛豫效应特征，测量结果参见图5，通过拟合可以估算出热载流子寿命，可以看出，参考样品(即，现有技术中原始晶硅薄膜)与本发明制备的二维硅结构呈现出显著不同的曲线特征，其中，参考样品的热载流子寿命在2-3皮秒，而本发明的二维硅结构热载流子寿命高于20皮秒。这表明，本发明二维硅结构展示出了显著的热载流子迟豫效应，可以用来延长热载流子的冷却时间。利用这种效应可用于发展超高转换效率太阳能电池、光探测器、场效应晶体管集成电路等器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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