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硅纳米线材料光学特性研究及电池仿真

硅纳米线材料光学特性研究及电池仿真

作者：肖红大连理工大学

学位级别：硕士

硅纳米线(SiNWs)是一种新型的一维纳米材料,纳米量级的特殊结构使其具备了很多不同于体硅材料的独特光学、电学性质。近年来,硅纳米材料在基础研究领域和应用研究领域都引起了人们的极大兴趣。由于硅纳米线良好的电学特性和光学特性,其... 详细信息

硅纳米线(SiNWs)是一种新型的一维纳米材料,纳米量级的特殊结构使其具备了很多不同于体硅材料的独特光学、电学性质。近年来,硅纳米材料在基础研究领域和应用研究领域都引起了人们的极大兴趣。由于硅纳米线良好的电学特性和光学特性,其将在未来纳米电子及纳米光学领域发挥重要的作用。本论文对硅纳米线材料的独特物理特性及制备方法进行了简单的介绍。采用化学腐蚀法,以HF/AgNO3/H2O2的混合溶液为腐蚀液,通过控制刻蚀时间,在常温常压下制备出取向一致,直径均匀的不同长度硅纳米线阵列。并对其生长机理,结构形貌以及反射、吸收等光学特性进行了相应的研究和表征。刻蚀时间为2min时,即所得硅纳米线长度为1.302μm时,在200～1100nm波段获得了3.5%的低反射率,从而验证了硅纳米线结构具有优异的光学减反特性。通过对硅纳米线材料吸收率的计算,初步分析了硅纳米线层的光吸收率及其对太阳能电池效率的影响。近似计算得出应用于太阳能电池减反层的硅纳米线阵列长度不应超过1.06gm,应用湿法刻蚀法的刻蚀时间至少应控制在2min以内。使用PC-1D仿真软件对具有不同纳米线层厚度的平板硅纳米线太阳能电池进行仿真模拟,计算并讨论了其Ⅰ-Ⅴ特性,及外量子效率,转换效率等重要电池参数。当纳米线层厚度为0.6μm时,可以得到37.58mA/cm-2的短路电流,电池的转换效率可达14.54%,为硅纳米线太阳能电池的实际制备提供了参考。

关键词：硅纳米线光学特性 PC-1D仿真 Ⅰ-Ⅴ特性转换效率

硅纳米线—氧化锌异质结阵列的制备及其湿敏特性研究

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硅纳米线—氧化锌异质结阵列的制备及其湿敏特性研究

作者：要峰郑州大学

学位级别：硕士

二十世纪九十年代以来,低维纳米材料特别是一维半导体纳米材料的制备及其应用已经引起了物理、化学、材料、信息技术等领域研究学者们的关注。一维半导体纳米材料及由其组成的功能器件将会引发新的技术革命,成为二十一世纪纳米科技领域... 详细信息

二十世纪九十年代以来,低维纳米材料特别是一维半导体纳米材料的制备及其应用已经引起了物理、化学、材料、信息技术等领域研究学者们的关注。一维半导体纳米材料及由其组成的功能器件将会引发新的技术革命,成为二十一世纪纳米科技领域引人注目的焦点。本论文从两种一维半导体纳米材料,即硅纳米线和氧化锌纳米线入手,采用溶液法分别制备出了硅纳米线和氧化锌纳米线。研究了硅纳米线和氧化锌纳米线的制备过程以及实验参数对其制备的影响,通过实验优化得到了最佳的硅纳米线和氧化锌纳米线的制备参数;开展了以硅纳米线作为基底的新型传感器领域的研究,制备了基于硅纳米线--氧化锌异质结阵列的湿敏探测器,研究了其湿敏特性。本论文主要研究内容和成果包括：(1)采用溶液法自上而下地在单晶硅片表面刻蚀了硅纳米线阵列,研究了不同硅片掺杂类型、不同电阻率、不同晶向、不同刻蚀液浓度、不同刻蚀时间、不同刻蚀温度对硅纳米线制备的影响,着重阐述了不同晶向、不同电阻率的硅片的刻蚀机理。研究发现：掺杂类型对SiNWs的形成没有太大的影响,在选取HF+ AgNO3作为刻蚀溶剂的条件下,硅片的刻蚀均是沿[100]晶向进行的,硅片的垂直刻蚀速度随着硅片掺杂浓度的增加而减慢,HF浓度、AgNO3浓度、刻蚀温度和刻蚀时间这四种实验验参数与SiNWs长度均呈单调递增关系,制备SiNWs的最佳实验参数为：HF浓度为5M, AgNO3浓度为0.02M,温度50℃,时间60min。(2)采用溶液法自下而上地在单晶硅衬底上生长了氧化锌纳米线阵列,研究了不同晶种层厚度、不同反应溶液浓度、不同反应时间、不同反应温度对氧化锌纳米线制备的影响。研究发现：ZnO纳米线优先开始在晶种层沿着c轴取向外延生长,晶种层越厚必然生长的ZnO棒晶更加密集,ZnO棒晶的尺寸也越大;当反应物浓度增加时,ZnONWs的长度也随之增加,但密度减小;当反应时间增加时,ZnONWs的长度也随之增加;当温度增至90℃时,制备得到了类似ZnO纳米管的管状结构。(3)在硅纳米线外包覆氧化锌,制备了硅纳米线-氧化锌异质结阵列,将该结构进行封装,制备得到了新型湿敏探测元器件,测试了硅纳米线-氧化锌异质结结构的湿敏特性,研究发现,基于硅纳米线-氧化锌异质结阵列的湿敏元件比厚膜型硅-氧化锌湿敏元件有着较高的灵敏度、较短的响应／恢复时间、较佳的抵御湿滞蠕变的特性和较长的使用寿命。综上所述,溶液法可以在相对温和的条件下制备大面积分布且定向性较好的硅和氧化锌纳米线,湿敏测试结果证明,硅纳米线-氧化锌异质结阵列是一种对外界湿度变化较为敏感的材料结构,有望在传感器领域,如湿敏传感器方面得到广泛的应用。

关键词：硅纳米线氧化锌纳米线溶液法硅纳米线-氧化锌异质结阵列湿敏探测器

硅纳米线锂离子电池负极材料制备及其电化学性能

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硅纳米线锂离子电池负极材料制备及其电化学性能

作者：高铭大连理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池作为一种绿色能量存储装置,因其具有高能量密度、无记忆效应、相对低自放电率、长循环寿命等优点,被广泛应用于便携式电子产品中,在电动汽车和航空航天等动力能源领域中具有广泛的应用前景。碳材料是目前商用的锂离子电池负... 详细信息

锂离子电池作为一种绿色能量存储装置,因其具有高能量密度、无记忆效应、相对低自放电率、长循环寿命等优点,被广泛应用于便携式电子产品中,在电动汽车和航空航天等动力能源领域中具有广泛的应用前景。碳材料是目前商用的锂离子电池负极材料,其理论比容量较低仅为372 m Ah g,已经不能满足人们对高性能锂离子电池的需求。Si在自然界中储量丰富,成本低廉,作为负极材料具有较高的理论比容量(4200 mAh g)。但Si在嵌/脱锂过程中会产生巨大的体积变化,导致电极结构破坏,容量迅速衰减,循环性能较差。本文针对Si电极循环性能差的问题,采用纳米结构化、酸洗处理等方式来改善其电化学性能。本文采用直流电弧等离子体气相蒸发法,以微米Si粉和Fe粉为原料,以瞬态VLS机制成功制备了硅纳米线。采用XRD,TEM等测试方法对其进行结构表征。结果表明,直流电弧等离子体蒸发法是制备硅纳米线粉体材料的有效方法。制备出的Si纳米线相互缠绕,形貌均匀,直径约100纳米,长度约几十到上百纳米,多根纳米线有共同的球状节点(催化剂颗粒FeSi),表面有非晶态a-Si O包覆层。通过选择合适的粘结剂和增加导电剂含量可以改善硅纳米线的循环性能,三种不同Fe含量的硅纳米线呈现出硅纳米线直径最小的样品b充当活性材料的电极具有最高的首次放电容量3309.2 mAh g;使用硅纳米线长度最大的样品c充当活性材料的电极首次放电容量为2165.2 m Ah g,循环100次后容量保持在539.7 mAh g,容量保持最高,循环性能最好。为进一步提高硅纳米线材料循环性能,采用8%(wt.)的稀盐酸对Si:Fe=1:1(wt.%)纳米粉体进行酸洗处理,去除金属Fe。XRD和TEM分析测试结果表明,硅纳米线中主相仍为Si相,Fe相完全消失,存在ɑ-Fe相的极弱衍射峰。酸洗后材料仍为相互缠绕的纳米线,但纳米线之间距离减小。将酸洗处理后的硅纳米线材料应用于锂离子电池负极中,前10次循环容量降低至400 mAh g左右后稳步上升,140次循环后容量稳定在700 m Ah g左右。与酸洗前硅纳米线100次循环后放电容量539.7 mAh g相比,容量有明显提高。

关键词：直流电弧法硅纳米线锂离子电池负极材料

硅纳米线/硅薄膜异质结太阳电池制备及性能研究

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硅纳米线/硅薄膜异质结太阳电池制备及性能研究

作者：王荣超哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

光伏技术被认为是能够避免全球发生能源大危机以及环境大污染的主要途径。目前，由于硅基太阳电池涉及的昂贵制备费用使得大范围采用光伏发电变得不可能。不过硅纳米线径向结电池由于具有优良的减反性能以及独特高效的载流子分离机制，... 详细信息

光伏技术被认为是能够避免全球发生能源大危机以及环境大污染的主要途径。目前，由于硅基太阳电池涉及的昂贵制备费用使得大范围采用光伏发电变得不可能。不过硅纳米线径向结电池由于具有优良的减反性能以及独特高效的载流子分离机制，被认为在实现高效与低成本电池方面具有较为广阔的发展前景。所以对硅纳米线径向结电池的研究显得十分有意义。本课题主要研究了硅纳米线/硅薄膜异质结太阳电池的制备工艺以及性能优化。本文首先采用金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线阵列，然后通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术制备本征与p型掺杂氢化非晶硅薄膜，形成径向p-i-n异质结，最后为了有效地传递与收集载流子，需在非晶硅薄膜基础上通过磁控溅射制备掺铝氧化锌（AZO）透明导电薄膜，以形成径向异质结电池结构。首先为了制备共形沉积的非晶硅以及AZO薄膜以形成形貌良好的径向电池结构，研究了纳米线上非晶硅薄膜以及AZO薄膜的沉积形貌，一方面重点研究了硅纳米线长度及非晶硅沉积时间对纳米线上非晶硅薄膜沉积形貌的影响规律;另一方面重点研究了AZO沉积时间及氢氧化钾刻蚀时间对纳米线上AZO薄膜沉积形貌的影响规律，并通过紫外-可见光光度计分析讨论了硅纳米线阵列的光学性能，确定了制备最佳径向电池结构的工艺方案。此外，为了减小异质结界面载流子复合，在现有设备的基础之上，通过改变硅烷浓度以及沉积气压等影响本征薄膜性能的沉积参数，制备了一系列本征氢化非晶硅薄膜，并利用一系列表征手段对薄膜进行性能表征，找到了不同工艺参数对薄膜性能的影响规律，确定了薄膜制备的最佳工艺方案，从而制备出适合作为电池本征钝化层的氢化非晶硅薄膜。最后在前面研究的基础上，制备一系列电池器件，对这些电池器件进行比较研究，结果表明：在加入本征钝化层后，经过氢氧化钾刻蚀后得到的纳米锥电池性能有了较大的改善。

关键词：硅纳米线金属辅助化学刻蚀法氢氧化钾太阳电池钝化

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金催化的硅纳米线的可控制备及光学特性研究

应用光学 2019年第5期40卷 738-745页

作者：王珊珊殷淑静梁海锋韩军西安工业大学光电工程学院陕西西安710021 西安工业大学西北兵器工业研究院陕西西安710021

硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜,在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀,得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列,并对其光学特性进行了研究。研究结果表明,金代... 详细信息

硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜,在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀,得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列,并对其光学特性进行了研究。研究结果表明,金代替银作为催化剂,可以有效地抑制二次刻蚀,金的化学性质相对于银更加稳定,克服了银膜在较高的温度或较长刻蚀时间下产生的结构性破坏,得到形貌规整、尺寸可控的硅纳米线阵列。对该阵列在400nm^1200nm波段的反射率、透过率进行了测试,并对比分析了金模板催化与传统方法机理的异同。测试结果表明,相较于传统金属辅助化学刻蚀法,文中提出的金模板催化法制备的硅纳米线阵列尺寸及分布更加均匀可控,在宽光谱范围内的抗反射性得到了显著提高。

关键词：半导体材料硅纳米线阳极氧化铝薄膜湿法刻蚀催化抗反射性

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硅纳米线纳米电子器件及其制备技术

电子元件与材料 2004年第10期23卷 44-47页

作者：裴立宅唐元洪陈扬文张勇郭池湖南大学材料科学与工程学院湖南长沙410082

硅纳米线由于特殊的光学及电学性能如量子限制效应及库仑阻塞效应等,在纳米电子器件的应用方面具有潜在的发展前景。介绍了采用电子束蚀刻技术(EB)、反应性离子蚀刻技术(RIE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等制备技术及场效应晶体管... 详细信息

硅纳米线由于特殊的光学及电学性能如量子限制效应及库仑阻塞效应等,在纳米电子器件的应用方面具有潜在的发展前景。介绍了采用电子束蚀刻技术(EB)、反应性离子蚀刻技术(RIE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等制备技术及场效应晶体管、单电子探测器及存储器、双方向电子泵及双重门电路等硅纳米线纳米电子器件的最新进展情况,并对其发展前景作了展望。

关键词：电子技术硅纳米线综述纳米电子器件制备性能

钼网衬底上大面积硅纳米线的制备及其光催化性能研究

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影像科学与光化学 2016年第3期34卷 257-264页

作者：黄奔李玄泽王磊夏静朱丹丹孟祥敏中国科学院理化技术研究所光化学与光功能材料重点实验室北京100190

硅纳米材料广泛应用于光功能导向的各个领域,发展针对光功能应用及一维硅纳米结构的规模化可控制备方法,实现硅纳米结构的宏量制备,将为硅纳米结构的应用提供材料保障。本文采用简单的化学气相沉积法成功地在Mo网衬底上制备了大面积的... 详细信息

硅纳米材料广泛应用于光功能导向的各个领域,发展针对光功能应用及一维硅纳米结构的规模化可控制备方法,实现硅纳米结构的宏量制备,将为硅纳米结构的应用提供材料保障。本文采用简单的化学气相沉积法成功地在Mo网衬底上制备了大面积的硅纳米线(SiNWs),并通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线粉末衍射仪、拉曼光谱仪,对制备的SiNWs进行了详细的研究。通过在低功率紫外光照射下SiNWs对罗丹明B和甲基蓝的光降解能力的研究,发现在Mo网衬底上生长的SiNWs对于有机染料具有很好的降解能力。

关键词：硅纳米线化学气相沉积法 Mo网衬底光催化

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硅纳米线的表面掺杂效应及应用

化学教育（中英文） 2020年第8期41卷 105-107页

作者：廖凡黄慧康振辉刘阳邵名望苏州大学纳米科学技术学院苏州大学功能纳米与软物质研究院江苏苏州215123

纳米材料具有较大的比表面积,表现出与块体材料不同的性质。通过实验证明氢负载的硅纳米线能够加速铜氧化过程。这一过程可以用表面掺杂效应进行解释。这种由于尺寸的减小引起化学性质改变的现象--表面掺杂,有望能够在化学的各个领域得... 详细信息

纳米材料具有较大的比表面积,表现出与块体材料不同的性质。通过实验证明氢负载的硅纳米线能够加速铜氧化过程。这一过程可以用表面掺杂效应进行解释。这种由于尺寸的减小引起化学性质改变的现象--表面掺杂,有望能够在化学的各个领域得到广泛应用。

关键词：铜氧化硅纳米线表面掺杂

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直流电弧法制备硅纳米线及其电化学性能

功能材料 2018年第1期49卷 1191-1196页

作者：高铭杨昱霖程厅梁静爽董星龙大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室辽宁大连116024

采用直流电弧等离子体蒸发法,在氢/氩气氛中蒸发Si/Fe微米粉体混合压制的块体靶材,通过瞬态VLS生长机制合成纳米线。分析TEM结果表明,Si纳米线直径约20nm,长度约100nm,形貌均匀,端部为FeSi2催化剂颗粒,形成以催化剂颗粒为中心的无序辐... 详细信息

采用直流电弧等离子体蒸发法,在氢/氩气氛中蒸发Si/Fe微米粉体混合压制的块体靶材,通过瞬态VLS生长机制合成纳米线。分析TEM结果表明,Si纳米线直径约20nm,长度约100nm,形貌均匀,端部为FeSi2催化剂颗粒,形成以催化剂颗粒为中心的无序辐射状网络结构,体现出VLS机制生长产物的基本特征。XRD结果表明,产物主相为硅,其中(111)面衍射峰最强,结合TEM图像分析可以判定Si纳米线沿(111)晶面生长。EDS能谱分析结果表明纳米粉体中Si含量为97.4%(质量分数)、Fe含量为2.6%(质量分数)。将Si纳米线作为锂离子电池负极活性材料,其电化学性能测试结果表明在150 mA/g恒电流下首次放电容量为1 704mAh/g,循环50次后容量保持有514 mAh/g。另外,Si纳米线负极还表现出较好的倍率性能,当电流从1A/g恢复到0.1A/g后,容量提高至802mAh/g,说明在高倍率的充放电之后电极依然保持原有微观结构未变坏,保持着优异的充放电性能。

关键词：锂离子电池负极材料硅纳米线 VLS机制