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_黑硅_表面特殊锥状尖峰结构的制备及其光学模型仿真

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第38卷󰀁第6期中󰀁国󰀁激󰀁光Vol.38,No.6

2011年6月CHINESEJOURNALOFLASERSJune,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/CJL201138.0603029

SimulationofOpticalModelBaseonMicro󰀁Cones

Structureof󰀁BlackSilicon󰀁

WuWenwei󰀁XuJiaming󰀁ChenHongyan

(EngineeringResearchCenterofOpticalInstrumentandSystem,MinistryofEducation,

UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract󰀁Inordertostudythespecialopticalabsorptionefficiencyof󰀁blacksilicon󰀁materials,󰀁blacksilicon󰀁materialwithdifferentheightsofmicro󰀁conesissuccessfullyfabricated,andthegeometricparametersofthemicro󰀁conesaremeasuredbyscanningelectronmicroscope(SEM).Thenamodelisbuilttocalculatethesurfaceeffectiveabsorptionareaof󰀁blacksilicon󰀁materialbasedonthemeasuredstructureof󰀁blacksilicon󰀁material,andthesurfaceareaof󰀁blacksilicon󰀁ismorethan20timesthanthatofnormalsilicon.Meantime,accordingtothegeometricalopticsmethod,thereflectivityissimulatedduringthewavelengthfrom200nmto2000nm.Thesimulationresultsarerelativelyclosetotheexperimentalresults.Itistheoreticallyverifiedthatthestrongopticalabsorptionabilityofthesiliconwithmicro󰀁nanostructureisduetospecialstructureforlighttrappingeffectandtheincreaseofsurfaceeffectiveabsorptionarea.Keywords󰀁lasertechnique;femtosecondlaserprocessing;blacksilicon;micro󰀁conesstructure;󰀁lighttrapping󰀁effectOCIScodes󰀁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(08SG48)、上海市科委纳米技术专项(0952nm02400)、上海市科委浦江人

才计划(09PJ1407800)和上海市教育委员会科研创新项目(11YZ117)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:wuwenwei555@yahoo.cn󰀁*通信联系人。E󰀁mail:xujiamingnil@126.com1󰀁引󰀁󰀁言

1998年,Mazur小组[1]首次成功制备了󰀁黑硅󰀁材料,在SF6或Cl2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0603029󰀁1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

Lambda750S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SF6气体。SF6气体压强为69200Pa,采

用的激光器能提供波长800nm,频率1kHz,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

Fig.1SEMphotosof󰀁blacksilicon󰀁.(a)topview,(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.2Surfacestructureofthe󰀁blacksilicon󰀁fromthemeasuredparametersforsimulation

(a)topview,(b)45󰀁sideview0603029󰀁2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󰀁n

k=1(xk-󰀁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

Table1Dataofsinglemicro󰀁cone󰀁m󰀁

HeightEllipticlongaxisEllipticshort

axis33.27.25.232.53.12.4

33.36.55.6

32.63.32.527.33.42.2

28.37.44.728.56.85.2

30.73.52.127.67.15.2

28.33.32.5

表2󰀁黑硅󰀁表面椭形锥状尖峰计算数据

Table2Dataofmicro󰀁coneof󰀁blacksilicon󰀁forcalculation󰀁m󰀁

Peakheight

centervalue󰀁Standard

deviation󰀁󰀁typepeaks

ellipticlong

axisStandard

deviation󰀁󰀁typepeaks

ellipticshort

axisStandard

deviation󰀁󰀁typepeaks

ellipticlong

axisStandard

deviation󰀁󰀁typepeaks

ellipticshort

axisStandard

deviation󰀁

30.02.37.00.35.00.43.30.22.30.2

25.01.56.00.24.00.32.20.21.50.28.01.12.00.11.50.21.40.21.00.1

󰀁󰀁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)=2lrand+(a/2-1)+(j-1)a,(2)

y(i,j)=2lrand+(b/2-1)+(i-1)b,(3)

x方向每格划分格数:dx=100;y方向每格划分格数:dy=120;lrand为0~1之间的一个随机数。

第i个离散点坐标为(mi,ni),则有

mi=1+(i-1)󰀁dy,󰀁nj=1+(j-1)󰀁dx.(4)

󰀁󰀁锥状尖峰的高度为平均高度h加上标准差的随机值

h(i,j)=lrand󰀁sa+h.(5)󰀁󰀁利用循环来计算椭圆锥体的高度坐标z

z(mi,nj)=h(i,j)󰀁(1-dh),󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(6)

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【化学奥赛】晶体结构习题new!

【化学奥赛】晶体结构习题new!

1 晶体结构题

一（2004年全国高中学生化学竞赛决赛6分）氢是

重要而洁净的能源。要利用氢气作能源，必须解决

好安全有效地储存氢气问题。化学家研究出利用合

金储存氢气，LaNi5是一种储氢材料。LaNi5的晶体

结构已经测定，属六方晶系，晶胞参数a=511 pm,

c＝397 pm,晶体结构如图2所示。

⒈从LaNi5晶体结构图中勾画出一个LaNi5晶胞。

⒉每个晶胞中含有多少个La原子和Ni原子？

⒊LaNi5晶胞中含有3个八面体空隙和6个四面体空隙，若每个空隙填人1个H原子，计算该储氢材料吸氢后氢的密度，该密度是标准状态下氢气密度(8.987× 10-5

g·m-3)的多少倍？（氢的相对原子质量为1.008；光速c为2．998×108 m·s-1；忽略吸氢前后晶胞的体积变化）。

解：

⒈晶胞结构见图4。

⒉晶胞中含有 1 个La原子

和 5 个Ni原子

⒊计算过程：

六方晶胞体积：V=a2csin120°

=(5.11×10-8)2×3.97×10-8×31/2/2

=89.7×10-24cm3

氢气密度

是氢气密度的1.87×103倍。

二. (2006年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题1)在酸化钨酸盐的过程中，钨酸根WO42可能在不同程度上缩合形成多钨酸根。多钨酸根的组成常因溶液的酸度不同而不同，它们的结构都由含一个中心W原子和六个配位O原子的钨氧八面体WO6通过共顶或共边的方式形成。在为数众多的多钨酸根中，性质和结构了解得比较清楚的是仲钨酸根[H2W12O42]10和偏钨酸根[H2W12O40]6。在下面三张结构图中，哪一张是仲钨酸根的结构？简述判断理由。

(a) (b) (c)

2 解：

提示：考察八面体的投影图，可以得到更清楚地认识。

3 三．(2006年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题4)

轻质碳酸镁是广泛应用于橡胶、塑料、食品和医药工业的化工产品，它的生产以白云石（主要成分是碳酸镁钙）为原料。右图是省略了部分原子或离子的白云石晶胞。

Cr掺杂以及Mo和Cr双掺Mn_(4)Si_(7)的第一性原理计算

Cr掺杂以及Mo和Cr双掺Mn_(4)Si_(7)的第一性原理计算

原子与分子物理学报

JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS第38卷第5期2021年10月Vol. 38 No. 5Oct. 2021

Cr掺杂以及Mo和Cr双掺Mn4 Si7的第一性原理计算

杨顺吉，张晋敏，谢杰，冯磊，贺腾

(贵州大学大数据与信息工程学院新型光电子材料与技术研究所，贵阳550025)

摘要：采用基于密度泛函理论中第一性原理的贋势平面波法，分别对本征Mn4Si7,Cr掺杂Mr^Si?以及Cr

和Mo双掺Mr^Si?的电子结构及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明本征MnQ?禁带宽度为Eg = 0.813 eV,Cr掺杂Mi^Si?禁带宽度为Eg =0. 730 eV,Cr和Mo双掺M%Si?禁带宽度为Eg =0. 620 eV,均为

间接带隙半导体、P型掺杂.此外，在低能区掺杂体系的介电函数、折射率、消光系数、吸收系数以及光电导 率均强于本征Mn4Si7，表明Cr掺杂Mn4Si7以及Cr和Mo双掺Mn。Si?有运用于红外光电子器件的巨大潜力.关键词：皿珥览；掺杂；第一性原理；电子结构；光学性质

中图分类号：0474 文献标识码：A DOI： 10.19855/j.l000-0364.2021.056003

The first-principles calculation of Cr doped and Mo, Cr co -doped Mn4Si7

YANG Shun-Ji, ZHANG Jin-Min, XIE Jie, FENG Lei, HE Teng

(Institute of New Optoelectronic Materials and Technology, College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract: The pseudopotential plane wave method based on the first principle of density functional theory was

半导体物理

半导体物理

半导体物理思考题

第一章 半导体中的电子状态

1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？ 答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电子的共 有化运动能力强，因此能带宽。

（原子的内层电子受到原子核的束缚 较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。）

2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？ 答：点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。

3、简述半导体的导电机构 答：导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。

4、什么是本征半导体、 n 型半导体、 p 型半导体？ 答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体； 自由电子浓度远大于空 穴浓度的杂质半导体称为 n

型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度 的杂质半导体称为 p 型半导体。

5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？

答：（ 1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下 的空位叫空穴。

（2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量 一致（成对出现 ）。

不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负 电，空穴带正电。

6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？ 答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一 相遇就会发生复合， 这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放 出，因此发光效率高。 7、半导体的五大基本特性

答： (1)负电阻温度效应：温度升高，电阻减小。 (2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。

(3) 整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。

(4) 光生伏特效应：半导体和金属接触时， 在光照射下产生电动势。

(5) 霍尔效应： 通有电流的导体在磁场中受力的作用， 在垂直于电 流和磁场的方向产生电动势的现象。

第二章 半导体中杂质和缺陷能级

1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。 答：①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。

2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？

用于成像的FP标准具研究

用于成像的FP标准具研究

用于成像的FP标准具研究

多光谱、超光谱成像技术是新一代光电探测技术,兼具成像和光谱探测的优点,已广泛应用于军事和民用领域。正是基于这些应用,本文开展了使用F-P标准具应用于成像系统的研究。

本文使用ZEMAX光学仿真软件和matlab计算软件相结合,介绍了ZEMAX的主要应用场合,首次使用ZEMAX建立Fabry-Perot标准具物理模型,通过描点的方法,绘制出BK7玻璃组成的F-P标准具的透过率特性曲线图,应用matlab根据原理公式绘制F-P的透过率曲线图,两个图进行对比,证明ZEMAX仿真F-P的模型是正确的。使用ZEMAX首先仿真平平腔F-P的多光束干涉和共焦F-P球面干涉仪,平平腔F-P的多光束干涉得出的仿真结果和理论计算基本吻合;然后仿真了共焦F-P球面干涉仪正入射光线和斜入射光线的输出光线特性。

设计了成像F-P腔的结构,推导出该结构的传输函数:使用ZEMAX软件,分析了特定波长下输出平面的图像,不同平面半径和波长输入点的对应输出透过率情况,而后根据传输特性,设计了光密码锁。设计了F-P成像系统的光路总体,提出了系统要求各个器件的指标。

然后使用ZEMAX软件分别设计了系统的物镜、目镜且作了优化。然后按照F-P模型,设计了成像系统的F-P装置,并在理论上推导了输出面的成像和输入平面之间的关系。