纳米硅方面开题报告

开题报告

一、选题背景和意义

近年，硅基纳米材料的研究一直受到人们的广泛关注，其中纳米硅膜nc-

Si:H(Hydrogenated Nanocrystalline Silicon)的制备、结构与物性研究又是一个热门课题，这是由于nc-Si:H膜以其所具有的新颖结构特征，使它呈现出许多鲜为人知的物理性质，如室温电导率高、光热稳定性好、压阻系数大等特征[1]。nc-Si:H半导体薄膜材料作为硅材料中派生出一种新型半导体人工薄膜材料，已有的研究表明其具有的新颖物性使得其在在异质结二极管、太阳电池、薄膜晶体管、单电子晶体管等方面得到了广泛的的应用。nc-Si:H半导体薄膜新颖的物性也同样吸引了MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）领域的关注，然而其杨氏模量（弹性模量）、应变系数（也称应变灵敏系数）等参数是应用MEMS技术设计器件的必需参数和基础，测量其参数值对于薄膜器件实用化开发、器件结构的优化及性能的改进具有重大意义。半导体应变系数是表征半导体在受到力作用时其电阻相对变化与所受应变之间的关系，测量其参数值的关键也即要准确测量到电阻相对变化与应变值。

二、选题研究的内容

（一）题目：nc-Si：H半导体薄膜材料的应变系数与弹性模量的测量

（二）研究重点

要求基于虚拟仪器技术，并采用相关的硬件，设计应变系数的测量方法和装置，能准确测量到nc-Si:H半导体薄膜材料在受到力作用时电阻相对变化与应变值，从而得到应变系数大小。同时，设计合适的装置或采用合适的方法对弹性模量进行测量。半导体应变系数是表征半导体在受到力作用时其电阻相对变化与所受应变之间的关系，测量其参数值的关键也即要准确测量到电阻相对变化与应变值。

（三）研究难点

整个课题研究的难点是在硬件方面，nc-Si:H半导体薄膜的应变系数的测量装置的精确度至关重要。

三、选题研究现状及综述

（一）国内外现状

对于新型材料以及新型测量仪器的研究，国内起步较晚，许多新型材料的研究都是基于国外学者的研究成果之上的，特别是参数方面的研究。因此，在国内专注于此的讨论与钻研并不是很多。相对的，国外对新型材料的研究，特别是半导体方面的钻研就较为深入了，且利用各种先进仪器学者们思考出了各种测量方法。

（二）文献综述

写者发现国内此类研究文献比较少，大部分是国外学者的文献。经过几周的仔细阅读，写者大致能从中分出下面几类测量方法。

1.碳纤维式测量应变系数

图1.测量碳纤维应变系数的实验设备

J.K.Kim在《Measurement of the gauge factor of carbon fiber and its application to sensors》中提出了一种测量碳纤维应变系数的方法。

如图1是测量碳纤维应变系数的实验设备，在此写者只大概描述有关应变系数测量方法，有关碳纤维的其他信息详见参考[2]。图中，利用微型镊子将碳纤维的一端放在铝电极上。然后再使铝蒸发一部分，从而减小碳纤维与电极之间的连接电阻。微操作机器人

使用一个导电探针对碳纤维的自由端施加一定的应力。由施加应力显示出的弯曲特性通过CCD 摄像机观察。

图2.碳纤维电阻随长度增长发生的变化

如图1所示，在各种应力下的碳纤维的电性能通过电源电表测量出来，可以观察到关于碳纤维长度导致的电阻的线性增长。实验结果与模拟结果相比较，可以确定作用在碳纤维上的应力强度和碳纤维的最大应变。通过比较这些结果，碳纤维的应变系数也可以估计出来。常规方程/K R R e =∆⨯（其中，R ∆是因为长度的变化而导致的电阻的变化，e 是元素；R 是原电阻）可以用来计算应变系数。

此方案在数据处理上方便准确快捷，但鉴于此方案适用于碳纤维这类微细物质材料应变系数的测量，其在半导体薄膜上的适用度比较小，而且如图1的实验设备较昂贵，不够经济。

2. 光纤布拉格光栅测量应变系数

J.-G. Liu 在《Dynamic strain measurement with a fibre Bragg grating sensor system 》中提到一种利用光纤布拉格光栅测量应变系数的方法。如图3所示为光纤布拉格光栅系统的示意图。

图3.光纤布拉格光栅系统的示意图

图3实际是获得地下岩石动态应变信号的实验装置，其测量方法也可以用来参考。

图3中，一束3-dBm的激光（波长为1548.75~1551.25nm），以优化过的波长发一个光信号，光信号通过光纤光循环器投射到光纤布拉格光栅上。一部分光信号从布拉格光栅反

射回来，回到循环器中被探测器接收到，再被转化成电信号。电信号经过放大器放大，

通过示波器采样。最终，采样信号送入PC系统处理。其中被反射回来的光信号的强度与

布拉格光栅的波长有关，而光栅的波长与光栅的应变有关。所以，从反射回来的光信号

所得的强度变化测量可以获得动态应变。详细的有关应变计算的描述见[3]。

此装置测出应变，要想测得应变系数，还需搭建电桥，测得∆R/R，此为后期处理。参考[4]，Hongbo Zou描述了一种波长耦合的光纤布拉格光栅传感系统测量动态应变和静

态应变。

光纤光栅优点是显著的，它抗电磁干扰，电绝缘性能好，安全可靠。但也有其不

足之处。第一，光纤光栅是以光栅的波长作为传感媒介，通过波长漂移来感知外界物理

参量的变化，欲加宽测量范围就必须采用宽带光源，而欲提高分辨率就必须压窄反射线

宽（这就大降低了宽光源的功率利用率），这样就要求在光纤光栅传感应用系统中，必

须采用宽带大功率光源，才能提高系统的信噪比，实现可靠的信号检测；第二，对外界

物理参量变化的直接表现形式是波长漂移，所以欲提高检测灵敏度和分辨率就必须采用

高性能的单色仪或光谱仪，这样一来，势必增加整个系统的造价，降低其实用性。

3.四点弯曲测量法