_黑硅_表面特殊锥状尖峰结构的制备及其光学模型仿真_吴文威
单晶黑硅微结构对其反射率影响的研究
单晶黑硅微结构对其反射率影响的研究岳之浩;沈鸿烈;蒋晔;陈伟龙;唐群涛;商威【摘要】采用 Ag 辅助化学腐蚀法在不同 H2 O2浓度、腐蚀温度和腐蚀时间条件下制备了单晶黑硅微结构,并系统地研究了这种微结构对表面反射率的影响规律。
采用场发射扫描电子显微镜对样品形貌进行了观察,并利用分光光度计对样品的表面反射率进行了测试,最终采用陷光模型对黑硅微结构与其反射率的关系进行了深入分析。
发现当腐蚀液为7.8 mol/L HF和0.6 mol/L H2 O2混合液、腐蚀温度为20℃以及腐蚀时间为90 s 时,所制备黑硅的腐蚀深度为900 nm,其表面平均反射率为0.98%(400~900 nm)。
%In this study,single-crystalline black silicon microstructures were fabricated by Ag-assisted chemical etching method under different H2 O2 concentration,etching temperature and etching time.Besides,the effects of the black silicon microstructures on the surface reflectance were systematically studied.Scanning electron mi-croscope and spectrophotometer were used to observe the microstructures and to test the surface reflectance,re-spectively.In addition,the relation between the microstructures and reflectance was deeply investigated by u-sing two light-trapping models.Finally,single-crystalline black silicon with average reflectance of 0.98% from 400 to 900 nm was obtained by etching in a 7.8 mol/L HF and 0.6 m ol/L H2 O2 mixed solution for 90 s at 20 ℃resulting in an etching depth of 900 nm.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2014(000)016【总页数】5页(P16056-16060)【关键词】Ag辅助化学腐蚀法;单晶硅;微结构;反射率【作者】岳之浩;沈鸿烈;蒋晔;陈伟龙;唐群涛;商威【作者单位】南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016; 中天光伏技术有限公司，江苏南通 226015;南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016; 南京航空航天大学，纳米智能材料器件教育部重点实验室，南京 210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016;中天光伏技术有限公司，江苏南通 226015【正文语种】中文【中图分类】TB34;TN361 引言众所周知，在现有的黑硅制备方法中，如飞秒激光法［1］、反应离子刻蚀法［2］、电化学腐蚀法［3］以及金属辅助化学腐蚀法［4］，属金属辅助化学腐蚀法成本最低，且其制备工艺简单以及制备周期较短，因此吸引了众多学者纷纷对其进行研究［5］。
清洗工艺对金属辅助刻蚀制备黑硅及其光伏器件的影响
清洗工艺对金属辅助刻蚀制备黑硅及其光伏器件的影响罗旌旺;蒲天;吴兢;芮春保;孔凡建;沈鸿烈【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2016(45)2【摘要】为了减少黑硅表面缺陷对黑硅太阳电池性能的影响,本文以金属纳米颗粒辅助刻蚀制备的156 mm×156 mm多晶黑硅为研究对象,分别采用传统RCA清洗工艺中SC1清洗方法及其改进方法清洗黑硅,并通过SEM、少子寿命、IV、QE等手段表征黑硅微观结构及其光伏器件电性能。
结果表明:改进清洗方法比SC1具有更好的清洗效果,能够有效去除黑硅中的金属残留,同时修正黑硅表面微结构,黑硅的少子寿命由1.98μs提高到3.09μs。
对于156mm×156mm多晶黑硅太阳电池,改进方法清洗的黑硅电池比SC1方法清洗黑硅太阳电池短路电流提升62m A,平均转化效率提升了0.16%,达18.01%。
【总页数】5页(P371-375)【关键词】黑硅;清洗工艺;少子寿命;太阳电池【作者】罗旌旺;蒲天;吴兢;芮春保;孔凡建;沈鸿烈【作者单位】江苏辉伦太阳能科技有限公司新能源研究中心;南京航空航天大学材料科学与技术学院【正文语种】中文【中图分类】TM910;TQ131.11【相关文献】1.一种在弱酸溶液中采用金属辅助湿法化学刻蚀黑硅的新方法 [J], 廖承菌;李学铭;杨培志2.金属辅助湿法化学刻蚀黑硅机理的探讨 [J], 廖承菌;杨培志;廖华;李学铭3.金属辅助刻蚀制备黑硅形貌及光吸收率的研究 [J], 李旭;4.金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线及其工艺参数优化 [J], 王波;高灿灿;薛睿5.电催化金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线/多孔硅复合结构 [J], 陈力驰;王耀功;王文江;麻晓琴;杨静远;张小宁因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
黑硅材料的主要制备方法周舰波PPT教案
华东师范大学 微电子器件 大论文
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6/14/2013
黑硅几大制备方法
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• 化学腐蚀法：反射率仍较高 • 飞秒激光扫描法：工艺复杂，成本高昂 • 反应离子刻蚀法：造成离子损伤 • 等离子体浸没离子注入法
6/14/2013
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6/14/2013
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华东师范大学 电子器件 大论文
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6/14/2013
总结
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目前，我国中科院各研究人员自行研制出的的等离子体浸没离子注入设备，制备了纳 米表面结构的黑硅材料。黑硅的纳米结构具有良好的吸光性能，也可以提高电池的填充因 子 与短路电流，从而大幅度提高电池的转换效率。
黑硅优异的光电特性注定了其未来具有不可限量的发展前景, 尤其是黑硅的宽波段吸收 性质, 存在巨大的潜在应用价值。此外, 黑硅的强吸收特性也使其成为制备高效太阳能电 池的理想材料。
黑硅材料的主要制备方法周舰波
硅的高反射率——损失40%以上
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由于禁带宽度大, 晶体硅不能吸收波长大于1100nm 的光波, 当入射光的波长大 于1100nm 时, 硅探测器对光的吸收率和响应率将大大降低。
• 抗反射膜法：硅表面制备一层抗反射膜(Si0 ，Ti0 ，Zn0，IT0或者Si3N4 )，而抗反射 膜膜厚与入射光波长和抗反射膜的折射率有关，这就决定了抗反射膜只能起到有限光谱 范围的抗反射作用，并且对入射光角度也有限制。
对顶四面锥尖间光增强的数值模拟
对顶四面锥尖间光增强的数值模拟姜宇驰;吴世法【摘要】为了探索对顶四面锥尖在分子损伤和检测中的应用,利用处理色散介质的时域有限差分法((FD)2TD)计算和分析了对顶四面锥尖之间的光增强,研究了不同锥体长度和激励光波长对光增强的影响.模拟表明:在相同平面激励光波长下,光增强效果随锥体长度而改变,且在一定长度范围内有最佳值;在相同的对顶四面锥结构下,长波长平面激励光波引起的光增强较大.这些性质的得出,可以为对顶四面锥尖在生物学中的应用提供理论依据.【期刊名称】《常熟理工学院学报》【年(卷),期】2007(021)010【总页数】3页(P48-50)【关键词】四面锥尖;(FD)2TD;分子损伤和检测【作者】姜宇驰;吴世法【作者单位】常熟理工学院,物理与电子科学系,江苏,常熟,215500;大连理工大学,物理与光电工程学院,辽宁,大连,116024【正文语种】中文【中图分类】O431.1在探索活细胞DNA和单个膜蛋白等分子功能时,常需要对分子进行辐照损伤,同时又需要实时检测出该分子在活细胞中损伤后的分子结构和生物功能的改变．这种辐照损伤和检测通常使用近场尖来实现．主要利用近场尖产生的纳米光斑和光增强特性,用紫外光侧面照射近场尖,使之与膜片钳之间产生的光增强对分子进行损伤,再用红光对其照射可以获得分子损伤信息．这就需要设计近场尖的结构和形状使之符合实验要求．我们从膜片钳和近场尖之间的对顶关系得到启发,是否可以用两个对顶锥实现这一功能呢?这就需要对对顶锥的光增强(场增强的平方)性质进行研究．与实验方法相比,数值模拟技术具有费用低,节约时间,易于实现等优点,被广泛应用于不同类型的近场探针光增强特性模拟中．本文采用处理色散介质的时域有限差分法(FD)2TD(Frequency-dependent finite-difference time domain)首次计算和分析了对顶四面锥尖之间的光增强,研究了不同锥体长度和激励光波长对光增强的影响,以期为对顶四面锥尖在生物学中的应用提供理论依据．时域有限差分法(FDTD)直接从Maxwell方程出发,推导出方程的电场(或磁场) 分量仅与它相邻的磁场(或电场) 分量以及上一时间步该点的场值有关．在每一时间步，计算网格空间各点的电场和磁场分量随着时间步的推进,即能够直接模拟电磁场的传播及物体的相互作用过程．由于时域有限差分法直接从Maxwell方程出发,不需要任何导出方程,避免了使用更多的数学工具,成为一种较简单和直观的电磁场计算方法．因此,时域有限差分法具有较强的适用性,近些年来广泛应用于近场光学的研究．常规时域有限差分法程序(FDTD)由于不能处理色散介质的散射场,并且在处理负介电常数时往往会引起发散．为了解决这个问题,在时域有限差分法的基础上,发展了(FD)2TD方法[1,2]来计算任意形状的色散介质与电磁波的相互作用．将其延展到金属这种介质当中,得到了有限时域差分法在金属中的散射场公式．金属的介电常数ε随圆频率ω的变化关系[3] 为:其中ωp指等离子体频率,τ指弛豫时间．本文中色散介质的介电常数根据文献[3] 得到．计算模型如图1所示,对顶四面锥尖之间的距离为3nm,锥面角为90°,四面锥由金属银制成,锥尖长度12nm,横截面21×21nm2,平面偏振光激励垂直照射．计算中采取(FD)2TD方法和Mur二阶吸收边界条件,对计算空间进行网格剖分,整个计算空间的网格数为100×100×200,每个网格大小为3nm×3nm×3nm．在此基础上利用Fortran语言编程,计算了激励光波长为400nm和632.8nm两种情况下对顶锥中间平面上的最大光增强随着锥长的变化规律,分别如图2、3所示．当激励光源的波长分别为400nm和632.8nm 时,锥体长度L分别为126nm和210nm时,两锥尖中间平面上的最大光增强达到最大值,此时再增加锥体长度,光增强减小．由以上结果可以看出,在对顶四面锥之间有着很大的光增强,并且光增强的大小随着锥体长度和激励光波长的改变而改变．由于激励光波在四面锥表面激发表面等离子体激元(SPP),而SPP具有向传播相速度较低的区间会聚的特点[4]．因为金属结构的几何尺寸越小,SPP的传播速度越低,因此利用四面锥体结构可以实现高度会聚的纳米光斑和较大的局域电场,从而在对顶四面锥之间产生较大的光增强．本文利用(FD)2 TD方法对对顶四面锥尖端近场的光增强分布进行了数值模拟,结果表明:在相同平面激励光波长下,光增强随锥体长度而改变且在一定长度范围内有最佳值;在相同的对顶四面锥结构下,长波长的平面激励光波引起的光增强较大．这些性质的得出,可以为活细胞单分子损伤和检测系统对顶针的改善起到一定的指导作用,在生物学中有着重要的应用前景．【相关文献】[1] Luebbers R J, Hunsberger F P, Kunz K S. A frequency dependent finite-difference time-domain formulation for transient propagation in plasma[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1991,39(1):29-34.[2] Luebbers R J, Hunsberger F P, Kunz K S, et al. A frequency dependent finite-difference time-domain formulation for dispersive materials[J]. IEEE Trans on ElectromagneticCompat, 1990,32(3):222-227.[3] Johnson P B, Christy R W. Optical constant of the nobel metal[J]. Phys RevB,1972,(6):4370-4379.[4] 汪国平.表面等离子激元纳米集成光子器件[J],物理学和高新技术,2006,35(6)：502-507.。
硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备研究的开题报告
硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备研究的开题报告题目：硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备研究一、研究背景和意义：微纳加工技术是当今最为前沿的技术之一，它被广泛应用于微电子、光电、机电与生物等领域，以其高精度、高效率、低成本的特点得到了广泛的关注和应用。
其中，硅微尖锥阵列作为微纳加工技术的重要组成部分之一，在成像、检测和生物传感器等领域有着广阔的应用前景。
硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备是硅微尖锥阵列制备过程中的一大难点，目前研究重点集中在通过化学气相沉积方法在硅微尖锥顶端制备微纳尺度材料。
但是，由于定位制备过程中材料在微纳尺度级别上的精确控制困难，导致其制备成功率低，制备效果也存在很大的不确定性。
因此，本研究将针对硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料的制备难点，开展硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备研究，为硅微尖锥阵列的应用提供重要的技术支持。
二、主要研究内容和研究方法：本研究将从硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料的制备方法以及定位制备的控制策略等方面开展研究。
具体内容包括：1.开展硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料的制备方法研究，重点探究不同制备条件对制备效果的影响；2.研究硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料的定位制备控制策略，重点探究不同制备策略对制备效果的影响，并解决定位精度问题；3.通过扫描电镜和透射电镜等检测手段，对所制备的硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料进行表征和分析。
研究方法包括理论分析、仿真模拟、实验制备以及表征和分析等。
三、预期研究结果和应用前景：预计通过硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备研究，将获得定位制备硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料的关键技术，解决微纳尺度材料定位制备中存在的关键问题。
预期成果包括：1.开发一种高效的硅微尖锥阵列顶端微纳材料制备方法，实现低成本、高效率的硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料制备；2.探究硅微尖锥阵列顶端微纳材料的定位制备控制策略，实现硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料定位制备的精准控制；3.通过对制备的硅微尖锥阵列顶端微纳尺度材料进行表征和分析，验证硅微尖锥阵列顶端微纳材料在成像、检测和生物传感器等领域的应用前景。
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第38卷 第6期中 国 激 光V ol.38,N o.62011年6月CHINESE JO URNAL OF LASERSJune,2011黑硅 表面特殊锥状尖峰结构的制备及其光学模型仿真吴文威 徐嘉明*陈宏彦(上海理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心,上海200093)摘要 为了更好地理解 黑硅 材料高吸收效率的物理原因,在成功制备了表面具有不同高度的锥状尖峰结构的 黑硅 材料基础上,利用扫描电子显微镜(SEM )获得锥状尖峰的几何参数,并根据该参数进行 黑硅 表面特殊结构建模,计算出 黑硅 材料有效吸收表面积相对于普通平面硅材料的有效吸收表面积增加了20多倍;同时根据表面建模和几何光学的方法在200~2000nm 的光谱范围内进行了反射率仿真,仿真结果与实验测试数据较为接近,从而在理论上验证了该特殊结构的强吸收性是由飞秒激光加工的硅材料有效吸收表面积增加和 黑硅 结构的陷光效应而引起的。
关键词 激光技术;飞秒激光加工;黑硅;锥状尖峰结构; 陷光 作用中图分类号 O436 文献标识码 A doi:10.3788/CJL 201138.0603029Simulation of Optical Model Base on Micro Cone sStructure of Black SiliconWu Wenwei Xu Jiaming Chen Ho ngyan(En gineer ing Resea r ch Cen ter of Opt ica l In str um en t a n d S ystem ,Min ist r y of Edu ca tion ,Un iver sit y of Sha ngha i for Science an d T echnology ,Shan ghai 200093,Chin a )Abstract I n order to study the specia l optical absorption efficiency of black silic on materials, blac k silicon m ateria l with different heights of micro c ones is successfully fabricated,and the geometric parameters of the micro c ones are measured by scanning elec tron microsc ope (SEM).Then a model is built to c alculate the surface effective absorption area of black silicon ma t erial based on the measured structure of black silic on material,a nd the surface a rea of black silic on is more than 20times than that of normal silicon.Meantim e,acc ording to the geometric al optics method,the reflectivity is simulated during the wavelength from 200nm to 2000nm.The simulation results a re relatively c lose to the experimental results.It is theoretically verified that the strong optical absorption ability of the silicon with micro nano structure is due to spec ial structure for light trapping effect and the increase of surface effective absorption area.Key wo rds la se r tec hnique;femtosec ond la ser proc essing;blac k silic on;m ic ro cones structure; light trapping effec t OCIS co des 140.7090;220.4000;300.1030收稿日期:2011 01 25;收到修改稿日期:2011 04 06基金项目:国家自然科学基金(61007059)、教育部留学回国科研启动基金、国家教育部博士点新教师基金(20093120120007)、上海市教育发展基金会曙光计划(08SG 48)、上海市科委纳米技术专项(0952nm 02400)、上海市科委浦江人才计划(09P J 1407800)和上海市教育委员会科研创新项目(11YZ 117)资助课题。
作者简介:吴文威(1989-),男,本科生,主要从事飞秒脉冲激光制备硅基光伏材料方面的研究。
E mail:wuw enw ei 555@y *通信联系人。
E mail:xujiamingnil @1 引 言1998年,M azur 小组[1]首次成功制备了 黑硅材料,在SF 6或Cl 2气体氛围下,利用飞秒激光照射单晶硅表面,使其表面产生一种特殊的尖峰微纳结中 国 激 光构,从而使得硅表面呈现黑色。
这种特殊材料具有极强的光吸收能力,特别是在近紫外至中红外波段都具有超过90%的吸收效率[2]。
黑硅 材料的出现,使得硅材料在光电探测、光通信、光伏电池等领域具有突破性的应用[3~8]。
因此,国内外许多研究小组针对 黑硅 材料的制备及其特殊的性质展开了一系列的研究[9~14]。
然而,到目前为止,关于 黑硅材料强烈吸收效率的物理本质的解释,学界还没有给出一个明确的答案。
本文在成功制备表面具有不同高度的特殊锥状尖峰结构的 黑硅 光伏材料的基础上[15],利用扫描电子显微镜(SEM)测量了 黑硅 表面椭形锥状尖峰的几何参数,以几何光学中的光在固体表面的反射与折射原理为物理基础,利用数值仿真的办法,分析 黑硅 表面形成特殊的椭圆锥状尖峰结构的强烈 陷光 作用。
仿真实验结果与利用光谱仪Lambda 750S 测试的反射效率曲线相比较为接近,在理论上验证了该特殊结构的强吸收率,从而证明了 黑硅 材料相对于普通硅材料在光电吸收和光电转换领域将具有更为重要的潜在应用价值。
2 黑硅 的制备表面形貌建模阮召崧等[15]成功搭建了制备 黑硅 光伏材料所使用的实验系统。
首先将硅样品固定在真空腔内,利用真空泵将真空腔抽到其腔内气压小于10-3Pa 后再填充所需要压强的SF 6气体。
SF 6气体压强为69200Pa,采用的激光器能提供波长800nm,频率1kH z,脉宽40fs 的脉冲激光。
飞秒激光脉冲功率为1100mW,通过一个焦距为100cm 的透镜会聚后穿过厚度为0.4mm 的真空室窗片,垂直入射到样品表面,样品表面处的光斑半径为100 m 。
通过调节脉冲计数器,飞秒激光以1000个脉冲照射单晶硅表面[晶向为(100),n 型磷掺杂,电阻率在0.01~0.02 m 之间]。
实验中使用二维步进电机在两个维度上进行扫描,控制电机的运动速度使硅片表面被均匀照射,从而使得单位面积上的脉冲数恒定,扫描产生具有均匀微纳结构的 黑硅 材料。
图1(a)是SEM 拍摄的表面形成平均锥状尖峰高度为30 m 微纳结构 黑硅 的俯视图,图1(b)是其侧视图。
根据该测量结果,采用随机椭圆锥状尖峰模型进行表面建模,获得了该结构的表面模型如图2所示。
图1 黑硅 表面形貌SEM 照片。
(a)俯视图,(b)45 侧视图F ig.1SEM pho tos of black silico n .(a)to p v iew,(b)45 sideview图2基于 黑硅 表面椭圆锥状尖峰结构的建模形貌。
(a)俯视图,(b)45 侧视图Fig.2Sur face str ucture o f the black silico n fro m the measured par ameters for simulatio n(a)t op view ,(b)45 side v iew吴文威等: 黑硅 表面特殊锥状尖峰结构的制备及其光学模型仿真建模方案如下:首先测量椭圆锥状山峰的表面形貌,发现椭圆锥状山峰出现 , 两种形态,其中形貌的锥状山峰底面椭圆具有较长的长短轴, 形貌的锥状山峰底面椭圆的长短轴较短,如图1(a)所示。
从统计学的角度发现,两种基本形态大致有50%的概率出现。
利用SEM软件分别测量其高度中心值和底边椭圆长短轴中心值,得到表1数据;通过概率统计的方式得到其标准差,样本的平均值可以由表1的数据计算得到,公式为s=1n-1 nk=1(x k- x)2.(1)通过对表1的数据进行处理,计算出其标准差,从而得到表2的数据。
表1单个锥状尖峰几何测量数据T able1Data o f sing le m icro co ne m H eightElliptic longax isElliptic sho rtax is33.27.25.232.53.12.433.36.55.632.63.32.527.33.42.228.37.44.728.56.85.230.73.52.127.67.15.228.33.32.5表2 黑硅 表面椭形锥状尖峰计算数据T able2Data o f micro co ne o f black silicon fo r calculation mP eak heig ht center valueStanda rddeviationtype peakselliptic longax isStandar ddev iatio nt ype peakselliptic shor taxisStandarddev iatio nty pe peakselliptic lo ngax isStandarddeviat ionty pe peakselliptic sho rtax isStanda rddeviation30.02.37.00.35.00.43.30.22.30.225.01.56.00.24.00.32.20.21.50.28.01.12.00.11.50.21.40.21.00.1现进行网格的划分,如图2(a)所示,将60 m 60 m大小的区域,划分成宽a=5 m、长b=6 m的小格,随机取每个格点的中心区域为椭圆锥状尖峰的底端中心位置,则其坐标为x(i,j)=2l rand+(a/2-1)+(j-1)a,(2)y(i,j)=2l rand+(b/2-1)+(i-1)b,(3) x方向每格划分格数:d x=100;y方向每格划分格数:d y=120;l rand为0~1之间的一个随机数。