利用fdtd对硅纳米线的陷光效应的研究(附件)【字数：8938】
摘 要摘 要硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料，线体直径一般在10 nm 左右，内晶核是单晶硅，外层有一SiO2 包覆层，由于自身所特有的光学、电学性质如量子限制效应及库仑阻塞效应引起了科技界的广泛关注，在微电子电路中的逻辑门和计数器、场发射器件等纳米电子器件、纳米传感器及辅助合成其它纳米材料的模板中的应用研究已取得了一定的进展。同时，硅纳米线由于其具有很强的陷光效应以及适用于径向结的光伏电池的制作使其在太阳能电池上也具有比较广阔的应用前景。FDTD方法（时域有限差分法）是把 Maxwell 方程式在时间和空间领域上进行差分化。利用蛙跳式（Leap frog algorithm）—空间领域内的电场和磁场进行交替计算，通过时间领域上更新来模仿电磁场的变化，达到数值计算的目的。其优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用比较多的数值模拟的方法之一。本文的研究内容主要包括两个方面1.利用金属诱导化学刻蚀法通过改变刻蚀时间制作不同长度的硅纳米线结构；2.利用FDTD模拟软件把不同波长的光照射到不同尺寸的硅纳米线表面后将光的强度分布情况模拟出来，进而通过硅纳米线表面的光强分布情况来分析硅纳米线的陷光效应。模拟时改变的变量包括相邻硅纳米线的间距、硅纳米线的长度以及入射光的波长。关键词硅纳米线；陷光效应；FDTD；
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 硅纳米线 1
1.1.1 硅纳米线的研究背景 1
1.1.2 硅纳米线的制备方法 2
1.2 FDTD简介 3
1.3本论文的选题思路及研究内容 4
1.3.1 本论文的选题思路 4
1.3.2 本论文的研究内容 4
第二章 FDTD模拟软件FDTD SOLUTIONS的使用 5
2.1 FDTD SOLUTIONS的概述 5
2.2 FDTD SOLUTIONS的具体操作 5
2.2.1 SOURCES（光源）模块的介绍 6
2.2.2 STRUCTURES（结构）模块的介绍 6
2.2.3 MONITORS（监视器）模块的介绍 6
2.2.4 SIMULATION（模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
拟区域）模块的介绍 7
2.2.5 后续操作 7
第三章 利用FDTD对硅纳米线陷光效应的模拟研究 8
3.1 硅纳米线的制备过程 8
3.2 FDTD模拟结果 9
3.2.1 硅纳米线的间距和硅纳米线表面电场分布的关系 9
3.2.2 硅纳米线的长度和硅纳米线表面电场分布的关系 13
3.2.3 入射光的波长和硅纳米线表面电场分布的关系 16
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
绪论
1.1硅纳米线
硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料，它拥有与薄膜硅或体硅截然不同的特性。由于其自身所特有的光学、电学性质如量子限制效应及库仑阻塞效应引起了科技界的广泛关注，在微电子电路中的逻辑门和计数器、场发射器件等纳米电子器件、纳米传感器及辅助合成其它纳米材料的模板中的应用研究已取得了一定的进展。同时，硅纳米线由于其具有很强的陷光效应以及适用于径向结的光伏电池的制作在太阳能电池上也具有较开阔的应用前景[16]。
陷光效应（light trapping effect）是有规则排列的纳米阵列造成集体性的共振以及入射光的散射，得以将光吸收的效率增高的现象。硅纳米线的直径长度可以决定长波长光的吸收，加大纳米线层的厚度也可以增高光吸收效率。由于它是周期性结构，因此尽管换能效率相等，它和随机结构相比光吸收效率更高。
1.1.1硅纳米线的研究背景
硅纳米线因其原材料在自然界中含量丰富、无毒性且具有良好的陷光作用而得到了广泛应用。2001年，斯坦福大学崔毅研究小组在《科学》（《Science》）杂志上发表了利用硅纳米线制作功能纳米器件以及硅纳米线在生物传感器方面应用的论文[78]，随后的几年中，他们又发表了关于硅纳米线在场效应晶体管、锂电池、增强光吸收等方面的应用论文[912]。由于硅纳米线的一维结构的特点，有利于光吸收和载流子收集[11、13]，其垂直方向的纳米阵列可以使其在该方向的入射光得到充分的吸收，同时由于其一维结构而形成的径向结可以提高载流子的收集效率[1415]，这些特性使得硅纳米线在光伏产业得到了越来越广泛的应用。
1.1.2硅纳米线的制备方法
目前硅纳米线的制备途径主要分为以下三类：1.自下而上法（bottomup），即在催化剂的辅助下，在衬底上大面积地随机生长出硅纳米线。利用该种方法生长的硅纳米线一般采用化学气相沉积（chemical vapor deposition,CVD）技术。利用化学气相沉积来制备硅纳米线方法是由R.S.Wagner等人在1967年提出的[16]，后来得到不断的改进和完善。根据催化剂、衬底和气源的不同，其生长机制分为：气液固（VaporLiquidSolid, VLS）、气固（VaporSolid, VS）、固液固（SolidLiquidSolid, SLS）、氧化物辅助（Oxideassistedgrowth, OAG）等。VLS技术的实质上是通过液相物质生成来实现硅纳米线的制备，硅的气态反应产物与金形成合金，随着反应的进行，硅由于过饱和而析出形成固态硅，金属在硅纳米线的生长过程中起到催化剂的作用[1718]。SLS技术是利用硅在合金中的溶解度较大，使硅在共熔体中过饱和而在向上饱和的位置析出[19]。VS技术是将二氧化硅固体直接加热成气态，然后在低温下直接析出硅和二氧化硅，形成由二氧化硅包裹的硅纳米线的核壳结构[20]。而OAG技术一般是把硅氧化物中的氧原子作为催化剂来形成硅纳米线[21]。2.自上而下法（Topdown）,利用半导体加工工艺，如刻蚀，光刻等，把块状材料由上而下刻蚀形成硅纳米线。金属催化化学刻蚀法是自上而下制作硅纳米线的最常用的方法。现阶段比较成熟的金属催化刻蚀法是利用硝酸银和氢氟酸溶液在硅衬底上刻蚀而形成硅纳米线[2224]。当银离子与衬底硅接触后，银离子获得电子后在衬底表面沉积出来，电势较低，而硅失去电子后形成较高的电势，从而使硅不断被溶解，自上而下形成硅纳米线。湿刻法在制备硅纳米线的过程中，方法简单、成本低廉、重复性好且与当前成熟的硅工艺技术兼容，是制备硅纳米线较为理想的方法之一。在本文中,我们所使用的硅纳米线都是采用该种方法制备的。3.混合法，结合前两种方法，首先在衬底上利用自上而下的方法制作出所需的电极图形，然后再通过选择性生长等工艺技术，在需要的位置上生长出硅纳米线。这种硅纳米线的制作方法相对而言比较复杂，但是，利用该种技术可以制备出可控的硅纳米线。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 硅纳米线 1
1.1.1 硅纳米线的研究背景 1
1.1.2 硅纳米线的制备方法 2
1.2 FDTD简介 3
1.3本论文的选题思路及研究内容 4
1.3.1 本论文的选题思路 4
1.3.2 本论文的研究内容 4
第二章 FDTD模拟软件FDTD SOLUTIONS的使用 5
2.1 FDTD SOLUTIONS的概述 5
2.2 FDTD SOLUTIONS的具体操作 5
2.2.1 SOURCES（光源）模块的介绍 6
2.2.2 STRUCTURES（结构）模块的介绍 6
2.2.3 MONITORS（监视器）模块的介绍 6
2.2.4 SIMULATION（模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
拟区域）模块的介绍 7
2.2.5 后续操作 7
第三章 利用FDTD对硅纳米线陷光效应的模拟研究 8
3.1 硅纳米线的制备过程 8
3.2 FDTD模拟结果 9
3.2.1 硅纳米线的间距和硅纳米线表面电场分布的关系 9
3.2.2 硅纳米线的长度和硅纳米线表面电场分布的关系 13
3.2.3 入射光的波长和硅纳米线表面电场分布的关系 16
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
绪论
1.1硅纳米线
硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料，它拥有与薄膜硅或体硅截然不同的特性。由于其自身所特有的光学、电学性质如量子限制效应及库仑阻塞效应引起了科技界的广泛关注，在微电子电路中的逻辑门和计数器、场发射器件等纳米电子器件、纳米传感器及辅助合成其它纳米材料的模板中的应用研究已取得了一定的进展。同时，硅纳米线由于其具有很强的陷光效应以及适用于径向结的光伏电池的制作在太阳能电池上也具有较开阔的应用前景[16]。
陷光效应（light trapping effect）是有规则排列的纳米阵列造成集体性的共振以及入射光的散射，得以将光吸收的效率增高的现象。硅纳米线的直径长度可以决定长波长光的吸收，加大纳米线层的厚度也可以增高光吸收效率。由于它是周期性结构，因此尽管换能效率相等，它和随机结构相比光吸收效率更高。
1.1.1硅纳米线的研究背景
硅纳米线因其原材料在自然界中含量丰富、无毒性且具有良好的陷光作用而得到了广泛应用。2001年，斯坦福大学崔毅研究小组在《科学》（《Science》）杂志上发表了利用硅纳米线制作功能纳米器件以及硅纳米线在生物传感器方面应用的论文[78]，随后的几年中，他们又发表了关于硅纳米线在场效应晶体管、锂电池、增强光吸收等方面的应用论文[912]。由于硅纳米线的一维结构的特点，有利于光吸收和载流子收集[11、13]，其垂直方向的纳米阵列可以使其在该方向的入射光得到充分的吸收，同时由于其一维结构而形成的径向结可以提高载流子的收集效率[1415]，这些特性使得硅纳米线在光伏产业得到了越来越广泛的应用。
1.1.2硅纳米线的制备方法
目前硅纳米线的制备途径主要分为以下三类：1.自下而上法（bottomup），即在催化剂的辅助下，在衬底上大面积地随机生长出硅纳米线。利用该种方法生长的硅纳米线一般采用化学气相沉积（chemical vapor deposition,CVD）技术。利用化学气相沉积来制备硅纳米线方法是由R.S.Wagner等人在1967年提出的[16]，后来得到不断的改进和完善。根据催化剂、衬底和气源的不同，其生长机制分为：气液固（VaporLiquidSolid, VLS）、气固（VaporSolid, VS）、固液固（SolidLiquidSolid, SLS）、氧化物辅助（Oxideassistedgrowth, OAG）等。VLS技术的实质上是通过液相物质生成来实现硅纳米线的制备，硅的气态反应产物与金形成合金，随着反应的进行，硅由于过饱和而析出形成固态硅，金属在硅纳米线的生长过程中起到催化剂的作用[1718]。SLS技术是利用硅在合金中的溶解度较大，使硅在共熔体中过饱和而在向上饱和的位置析出[19]。VS技术是将二氧化硅固体直接加热成气态，然后在低温下直接析出硅和二氧化硅，形成由二氧化硅包裹的硅纳米线的核壳结构[20]。而OAG技术一般是把硅氧化物中的氧原子作为催化剂来形成硅纳米线[21]。2.自上而下法（Topdown）,利用半导体加工工艺，如刻蚀，光刻等，把块状材料由上而下刻蚀形成硅纳米线。金属催化化学刻蚀法是自上而下制作硅纳米线的最常用的方法。现阶段比较成熟的金属催化刻蚀法是利用硝酸银和氢氟酸溶液在硅衬底上刻蚀而形成硅纳米线[2224]。当银离子与衬底硅接触后，银离子获得电子后在衬底表面沉积出来，电势较低，而硅失去电子后形成较高的电势，从而使硅不断被溶解，自上而下形成硅纳米线。湿刻法在制备硅纳米线的过程中，方法简单、成本低廉、重复性好且与当前成熟的硅工艺技术兼容，是制备硅纳米线较为理想的方法之一。在本文中,我们所使用的硅纳米线都是采用该种方法制备的。3.混合法，结合前两种方法，首先在衬底上利用自上而下的方法制作出所需的电极图形，然后再通过选择性生长等工艺技术，在需要的位置上生长出硅纳米线。这种硅纳米线的制作方法相对而言比较复杂，但是，利用该种技术可以制备出可控的硅纳米线。
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