[發明專利]一種可產生熱載流子弛豫效應的低維硅設計制備方法

在審

• 申請號: 202110786196.1
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113652747A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 嚴文生;臧月
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B33/12
• 代理公司: 浙江永鼎律師事務所 33233
• 代理人: 陸永強

本發明公開了一種可產生熱載流子弛豫效應的低維硅設計制備方法，包括S10，聲子能帶設計；S20，設計具有人工聲子帶隙的低維硅結構；S30，制備結構化的低維硅；S40，結構表征與功能化測量。本發明根據設計的具有人工聲子帶隙結構的低維硅結構，采用本發明的制備方法，可以實現結構規整、均一性好、高重復性的二維周期性硅結構。

技術領域

本發明屬于材料制備技術領域，涉及一種可產生熱載流子弛豫效應的低維硅設計制備方法。

背景技術

一般地說，熱載流子是指初始動能至少在導帶(或價帶)k_BT以上的玻爾茲曼分布中的電子(或空穴)。它們是由外部光激發后產生的非平衡載流子隨后的熱化。這些熱載流子通過諸如載流子-聲子散射、俄歇過程等載流子冷卻過程，最終與半導體晶格相互作用達到平衡。熱載流子弛豫是指延緩熱載流子冷卻時間。利用熱載流子弛豫效應原理，可在高效太陽能電池、光探測器、場效應晶體管集成電路等領域具有重要的應用前景和價值。

到目前為止，熱載流子弛豫效應已在許多材料及結構中發現，比如，石墨烯薄膜、III-V半導體量子阱或納米線、碳納米管、過渡金屬硫族化合物、黑磷、鈣鈦礦薄膜、硅量子點，等等。相比于這些以前的報道，本發明關注的材料及結構是新型人工結構化的低維硅薄膜。優勢有二：一是硅材料具有無毒性、地殼儲量豐富、器件性能穩定等優勢。硅是目前集成電路和光電器件應用中使用最多、最成熟的半導體材料。二是，相比于硅量子點，硅薄膜極其人工結構化在制備上具有高度可控性、結構可重復性、均勻性等優點，從而能夠使不同批次的器件性能保持高度穩定性和一致性。

發明內容

基于上述目的，本發明提出了一種可產生熱載流子弛豫效應的低維硅設計制備方法，包括以下步驟：

S10，聲子能帶設計；

S20，設計具有人工聲子帶隙的低維硅結構；

S30，制備結構化的低維硅；

S40，結構表征與功能化測量。

優選地，所述S10，聲子能帶設計，包括以下步驟：

S11，選擇原始樣品為三氧化二鋁襯底上外延一層厚度為400-600nm的超薄單晶硅薄膜；

S12，對該樣品進行建模并模擬計算：構建模擬，使二維結構上具有孔洞，并呈正方形排列，其中有3個變量，分別為薄膜的厚度d、孔洞的半徑r以及孔洞周期長度P，其中，d0，r0，P2r。

優選地，所述S20，設計具有人工聲子帶隙的低維硅結構，包括以下步驟：

S21，在材料機械屬性方面，設定薄膜的材料為晶硅，孔洞為空氣，在計算時，采用硅和空氣的彈性常數各自代表這兩種材料；

S22，在計算聲子晶體帶隙時，采用含時間變量的廣義彈性波方程，由于本結構具有周期對稱性，在計算時，只需計算一個最小單胞，并加布洛赫周期性邊界條件；

S23，對該樣品進行模擬計算，使之呈現聲子禁帶；

S24，從模擬計算得到參數為：r＝530nm，P＝1100nm。

優選地，所述S30，制備結構化的低維硅，包括以下步驟：

S31，將原始樣品分別經過乙醇、丙酮和去離子水進行超聲清洗，再將樣品吸附固定在均膠儀上，在樣品上旋涂一層液態PMMA，襯底加熱溫度為200-280℃，旋轉速度2000-3500轉/min，在襯底上形成一層PMMA薄膜，厚度為300-400nm；

S32，將上述樣品送入電子束曝光設備，利用電子束在涂有感光膠的襯底上直接描畫，電子束在樣品表面上掃描出S20中設計的低維硅結構；