[发明专利]一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法

说明书

本发明公开了一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法，包括S10，声子能带设计；S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构；S30，制备结构化的低维硅；S40，结构表征与功能化测量。本发明根据设计的具有人工声子带隙结构的低维硅结构，采用本发明的制备方法，可以实现结构规整、均一性好、高重复性的二维周期性硅结构。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法。

背景技术

一般地说，热载流子是指初始动能至少在导带(或价带)k_BT以上的玻尔兹曼分布中的电子(或空穴)。它们是由外部光激发后产生的非平衡载流子随后的热化。这些热载流子通过诸如载流子-声子散射、俄歇过程等载流子冷却过程，最终与半导体晶格相互作用达到平衡。热载流子弛豫是指延缓热载流子冷却时间。利用热载流子弛豫效应原理，可在高效太阳能电池、光探测器、场效应晶体管集成电路等领域具有重要的应用前景和价值。

到目前为止，热载流子弛豫效应已在许多材料及结构中发现，比如，石墨烯薄膜、III-V半导体量子阱或纳米线、碳纳米管、过渡金属硫族化合物、黑磷、钙钛矿薄膜、硅量子点，等等。相比于这些以前的报道，本发明关注的材料及结构是新型人工结构化的低维硅薄膜。优势有二：一是硅材料具有无毒性、地壳储量丰富、器件性能稳定等优势。硅是目前集成电路和光电器件应用中使用最多、最成熟的半导体材料。二是，相比于硅量子点，硅薄膜极其人工结构化在制备上具有高度可控性、结构可重复性、均匀性等优点，从而能够使不同批次的器件性能保持高度稳定性和一致性。

发明内容

基于上述目的，本发明提出了一种可产生热载流子弛豫效应的低维硅设计制备方法，包括以下步骤：

S10，声子能带设计；

S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构；

S30，制备结构化的低维硅；

S40，结构表征与功能化测量。

优选地，所述S10，声子能带设计，包括以下步骤：

S11，选择原始样品为三氧化二铝衬底上外延一层厚度为400-600nm的超薄单晶硅薄膜；

S12，对该样品进行建模并模拟计算：构建模拟，使二维结构上具有孔洞，并呈正方形排列，其中有3个变量，分别为薄膜的厚度d、孔洞的半径r以及孔洞周期长度P，其中，d0，r0，P2r。

优选地，所述S20，设计具有人工声子带隙的低维硅结构，包括以下步骤：

S21，在材料机械属性方面，设定薄膜的材料为晶硅，孔洞为空气，在计算时，采用硅和空气的弹性常数各自代表这两种材料；

S22，在计算声子晶体带隙时，采用含时间变量的广义弹性波方程，由于本结构具有周期对称性，在计算时，只需计算一个最小单胞，并加布洛赫周期性边界条件；

S23，对该样品进行模拟计算，使之呈现声子禁带；

S24，从模拟计算得到参数为：r＝530nm，P＝1100nm。

优选地，所述S30，制备结构化的低维硅，包括以下步骤：

S31，将原始样品分别经过乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗，再将样品吸附固定在均胶仪上，在样品上旋涂一层液态PMMA，衬底加热温度为200-280℃，旋转速度2000-3500转/min，在衬底上形成一层PMMA薄膜，厚度为300-400nm；

S32，将上述样品送入电子束曝光设备，利用电子束在涂有感光胶的衬底上直接描画，电子束在样品表面上扫描出S20中设计的低维硅结构；