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钛离子注入对硅纳米孔柱阵列表面形貌与光致发光特性的调控

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采用水热腐蚀法制备的硅纳米孔柱阵列（Si-NPA)，是一种硅的微米/纳米复合结构复合体系，它在微米和纳米两个尺度上形成了三重层次结构，即：由大量微米尺寸的、近似等同的、垂直于表面规则排列的硅柱组成的阵列结构，由高密度纳米孔均匀分布于每个硅柱组成的纳米多孔结构，以及由氧化硅包裹的硅纳米晶粒组成的纳米孔孔壁。研究和测试表明，Si-NPA具有很大的比表面积和很强的表面活性、还原性，能够直接将贵金属（金、银、铜、铂等）从其盐溶液中还原而不需要使用任何额外的还原剂。与此同时，它还展现出突出的物理特性。一个是广谱光吸收特性，在200?2400nm的波长范围内，其整体积分反射率小于4％，表明Si-NPA是一种很好的光吸收材料；另一个是强而稳定的发光特性，退火前后能够发出很强的红光和蓝光。
　　Si-NPA的形貌结构特征和物理性能，预示着它可以作为一种理想的衬底或者模板以制备或者组装多种硅基纳米复合体系，藉此以实现新的物理性能。例如，课题组之前以Si-NPA为衬底，先后制备了金属/Si-NPA、宽带隙化合物半导体/Si-NPA、碳纳米管/Si-NPA等多种复合纳米体系，并以此为基础制备了新型纳米超低浓度生物分子探测器、气体/湿度传感器、发光二极管、太阳能电池和场发射冷阴极等原型器件，并获得了增强的器件性能。其中，Si-NPA主要扮演着组装模板和功能性衬底双重角色。
　　在上述研究中发现，基于Si-NPA的复合纳米体系及其器件的性能，强烈依赖于Si-NPA的表面形貌和结构特点。实验证明，通过改变水热腐蚀液的组成和浓度、腐蚀温度、腐蚀时间等制备参数以及原始单晶硅片的电阻率（掺杂浓度），可以在一定程度上对Si-NPA中硅柱的面密度、特征尺寸、高度、孔隙率的形貌和结构特征，以及Si-NPA的光学和发光特性、电学特性、表面钝化状态等物理化学性能进行调控，这将为实现对Si-NPA及基于Si-NPA的复合纳米体系的物理性能、器件性能的优化奠定基础。
　　离子注入是一种被广泛应用于材料表面改性的技术。对单晶硅片进行离子注入，不仅可以改变单晶硅片的掺杂浓度，同时还可能造成硅片表面的局域微晶化/非晶化，从而引起单晶硅片晶格结构和表面物理化学状态的变化。如果继之以水热腐蚀技术，将为Si-NPA表面形貌和结构的调控提供一种新的技术途径。
　　本文将以经过离子注入及离子注入后退火处理的硅片为出发点，采用水热腐蚀技术制备Si-NPA，并通过与原始单晶硅片制备的Si-NPA进行比较，系统研究钛离子注入及退火处理对单晶硅片的表面成分与结构，以及Si-NPA的表面形貌和光致发光特性的影响，对相关的作用过程和物理机制进行分析，最终对Si-NPA的形貌和结构调控、物理性能优化提供指导。论文取得以下主要研究结果：
　　(1)钛离子注入及注入后退火对单晶硅表面结构与化学组成的影响。实验中，固定注入离子能量为60 keV，采用5X1015cm-2、1X1016cm-2、5X1016cm-2三个注入剂量对原始单晶硅片进行离子注入及高温退火处理。
　　实验结果表明：
　　（a)钛离子注入后，单晶硅表面近乎理想、完整的晶格结构受到严重破坏，样品表面出现局域微晶化和非晶化现象，且离子注入剂量越大，局域微晶化或非晶化的程度越高；
　　（b)注入的钛离子在单晶硅中弥散分布，没有形成分离的钛结晶相或者钛硅合金相；
　　（c)经高温退火后，单晶硅表面晶格结构得到一定程度的修复，结晶性得到一定提高，并在高剂量注入的硅片中观察到钛硅合金相。上述结果为分析离子注入对Si-NPA结构、形貌和物性的影响奠定了基础。
　　(2)钛离子注入及注入后退火对Si-NPA的表面结构和形貌的影响。实验结果表明，对于钛离子注入及注入后退火处理的单晶硅片所制备的Si-NPA:
　　(a)当离子注入剂量较低时，硅柱阵列的大面积均匀性有所降低，即硅柱的面密度分布和尺寸分布均出现不均匀性；但随着离子注入剂量升高，硅柱的面密度分布和尺寸分布均匀性均有明显提高;
　　（b)与原始单晶硅片所制备Si-NPA相比较，离子注入不能明显改变硅柱的面密度，但随着注入剂量的增加，Si-NPA中硅柱的直径和高度均逐渐变小。上述结果表明，通过离子注入结合退火处理，可以实现对Si-NPA中硅柱的直径和高度等几何尺寸的有效调控。
　　(3)钛离子注入及注入后退火对Si-NPA光致发光特性的影响。
　　实验结果表明：
　　（a)相对于原始单晶硅片制备的Si-NPA，离子注入及注入后退火硅片制备样品的光致发光强度均随离子注入剂量增加而逐渐降低，发光峰位红移；
　　（b)对于组成Si-NPA光致发光谱的两个红光发光峰，随离子注入剂量的增加，其相对强度比逐渐减小，及二者的相对强弱发生逆转；
　　（c)离子注入后退火处理硅片所制备Si-NPA的光致发光强度要远远高于离子注入但未退火硅片所制备Si-NPA的光致发光强度。上述结果表明，通过离子注入及注入后退火处理，在调控Si-NPA形貌的同时也实现了对其光致发光特性的调控。
　　(4)水热腐蚀过程中冷却时间和加热时间对Si-NPA表面形貌和结构的调控。实验中，通过固定冷却时间（加热时间），调控加热时间（冷却时间）研究了加热和冷却时间对Si-NPA表面形貌的影响。实验结果表明，通过控制加热时间可以对Si-NPA的厚度进行调控，而增加冷却时间则可以降低Si-NPA表面硅柱的粗糙度。
　　(5)恒温化学腐蚀过程中腐蚀时间对Si-NPA表面形貌和结构的影响。实验中，在50℃的恒定温度下，分别对原始单晶硅片和离子注入硅片进行了1?12 h的化学腐蚀。研究结果表明，随化学腐蚀时间增加，Si-NPA表面硅柱阵列逐渐变得更为均匀、硅柱表面粗糙度降低、硅柱柱高增加且硅柱直径略有减小。对比两组实验，证明离子注入可以显著加快单晶硅的腐蚀进程。

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