纳米半导体材料在光电子学的应用

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1、纳米半导体材料在光电子学的应用摘要：在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态，纳米半导体材料则是纳米材料中的一个极其重要的分支，经过纳米技术改造的半导体材料有着不同寻常的特殊性质。本文着重介绍纳米半导体材料在光电子学方面的诸多应用，由于纳米半导体光电子材料蕴藏着许多新的物理信息和可供利用的独特功能而具有极其广阔的发展前景。关键词：纳米粒子、半导体纳米材料、光电子材料正文引言纳米粒子的一个重要标志是尺寸和物理特征量相当。当粒子的直径与超导

2、想干波长、激子的玻尔半径和电子的德布罗意波长相当时，小粒子的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大区别，而对于半导体材料特别是硅而言，其纳米粒了表现出较大的非线性效应和超快速的时间效应，可用作非线性光学材料，从而应用在光电通讯、数据处理、信息存储、成像技术、光开关等各个方面。1.半导体纳米在光电子学方面的特性1.1光学特性纳米粒子的表面效应和量子尺寸效应对纳米粒子在光学方面的效应有很大影响，甚至使纳米粒子具有同质材料不具备的新的光学特性。1.1.1蓝移和红移现

3、象对于纳米粒子的吸收光谱蓝移的原因归纳起来有两种解释，一种解释是量子尺寸效应。通常当半导体纳米粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时，随着半导体粒子尺寸的减小，半导体粒子的有效带隙增加，使相应的吸收光谱和光致发光谱发生篮移，从而在能带中形成以系列分立能级。另一种解释是表面效应，由于纳米粒子小，大的表面张力使晶格畸变晶格常数变小。键长的变短导致纳米粒子的键本征振动频率增大使红外光吸收谱移向了高波数。具有相同自旋量子数的两个费米粒子放在同一空间位置上，则系统要在能量上分裂，这就是交换互相作用的体现。劈裂后，能量低的态对于跃迁禁戒态，载流

4、子直接激发到这个态是不允许的，但这个态拥有较慢的速率（即有了较长的寿命）跃迁到基态，于是发射峰相当于接受峰，发生了红移。综观纳米半导体的特有发光现象，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则、量子限域效应、缺陷能级和杂质能级等方面。1.1.2宽频带强吸收由于纳米粒子大的比表面积导致了平均配位数下降，不饱和键与悬挂键增多，存在着一个较宽的键振动膜分布，在红外光外场作用下，键振动膜对红外吸收的频率也存在一个较高的分布，这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。1.1.3单个量子点的光学性质单个空的量子点吸收单个光子，其吸收谱

5、对光的极化不敏感，但产生（或湮灭）载流子的自旋是有吸收（或发射）的光的极化决定的。1.2光电转换特性纳米点是一种三维受限团簇，具有量子尺寸限制、量子遂穿、库伦堵塞等效应，在这方面应用的典型代表是纳米点太阳能电池。而纳米点太阳电池光电转换效率的提高又主要归因于以下原因：(一)量子尺寸限制效应，通过改变纳米点的尺寸，调控纳米点的带隙能量，改变光吸收波长，采用多层不同尺寸的纳米点构成的薄膜可以吸收更宽波长范围的太阳光。(二)纳米点的多激子激发，即在纳米点中吸收一个高能量的光子激发产生多个电子。纳米点的多激发使太阳光中短波长的光电子

6、充分的产生多个电子，减少电子散射和释放声子而损失的能量。(三)多能带的形成，在超晶格结构中，纳米点间的结合在导带（和价电子带）中形成小的分立能带。利用小能带间的光子吸收等复杂过程，可以改善太阳电池与太阳光谱的匹配程度。(四)中间能带的引入，在太阳能电池中插入纳米点阵列可以在太阳电池的带隙中引入中间能带，导致低能量太阳光被吸收而产生电子孔穴，减小太阳光的透过损失。1.3电学特性电导特性、介电特性和压电特性是半导体材料的基本特性，这些特性与常规半导体材料有着很大的不同。1.3.1电导特性纳米半导体的电导是量子化的，量子电阻是常数

7、，不再是经典物理所描述的那样等于电压对于电流的比例。1.3.2介电特性纳米半导体材料的介电常数随频率的减小呈现明显增大的趋势，而相应的常规块体半导体的介电常数较低，在低频范围内增大趋势远低于纳米半导体。在低频范围内，纳米半导体的介电常数呈现尺寸效应，即粒子半径很小时其介电常数较低，随着粒径增大介电常数先增加后降低，在某一临界尺寸呈现极大值。如在纳米TiO2半导体介电常数温度谱上存在一个峰，而在其相应的介电常数损耗谱也呈现一个损耗峰。前者是由离子转向极化造成，后者是离子弛豫极化造成的。1.3.3压电特性对于某些纳米半导体而言，

8、其界面存在大量的悬挂键，导致界面电荷分布发生变化，形成局部点偶极距。若外加压力使偶极距取向分布等发生变化，在宏观上产生电荷积累，从而产生强的压电效应，而相应的粗半导体晶体直径可达微米数量级，其界面急剧减小（小于0.01%），从而压电效应消失。2.纳米半导体在光电子方面的应用硅纳米结构的尺寸