纳米半导体材料在光学领域中的应用

《纳米半导体材料在光学领域中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、纳米半导体材料在光学领域中的应用摘要：应用纳米科学技术可以引发光电子、微电子、环保等诸多领域的革命，推动社会经济的腾飞。纳米电子学、纳米光电子学和纳米光子学将成为21世纪信息时代的关键技术。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资利用的独特功能而具有极其广阔的发展前景。它是半导体光电子材料的一颗新星。它的出现，意味着半导体光电子材料向低维化方向发展。关键词：半导体材料、纳米粒子、纳米硅薄膜、光电材料正文部分：1.引言半导体光电子材料经过几十年的发展，已经成为在国民经济和军事等领域得到广泛应用、充满生机

2、的一类电子信息材料。在信息化时代加速了该材料的升级，使它更加异彩纷呈，引人瞩目。  在20世纪90年代全球掀起的纳米科技浪潮推动下，纳米半导体光电子材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料和纳米生物材料等纳米材料应运而生。纳米材料是指尺寸为1～100nm（1nm=10-9m）的各种固体材料。纳米半导体光电子材料是纳米材料（1）家族中的重要成员，它的崛起是光电子材料发展的一次新的飞跃，成为发展新特性、新效应、新原理和新器件的基础。当半导体光电子材料的尺寸减小到纳米量级时，其物理长度与电子自由程相当，载流子的输运将呈现量子力

3、学特性，宏观固定的准连续能带消失而表现出分裂的能级，因而传统的理论和技术已不再实用。纳米半导体光电子材料技术是一种多学科交叉的科学和技术，该领域充满了巨大的创新机会和广阔的发展前景。1.1.纳米半导体材料与器件硅纳米结构的尺寸小到一定范围时，将会出现量子（2）限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应，从而使它呈现出诸多新颖性质，其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光，且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。最近，科学家已经利用硅纳米结构所呈

4、现的这些新颖性质和效应，开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。因此，该类纳米材料展现出广阔的应用前景1.2.半导体复合纳米粒子半导体纳米粒子由于具有量子尺寸效应，表面界面效应和小尺寸效应而具有优异的光学性质(如非线性光学响应及室温光致发光)，光电催化特性和光电转换特性。半导体纳米粒子复合后的性质并不是单个纳米粒子性质的简单加和，而是具有更优异的性能，可用于光电太阳能转换，废物处理及功能陶瓷的制备等。研究半导体复合纳米粒子，发展新型纳米半导体复合材料是纳米半导体领域研究的新热点。1.2

5、.1.半导体复合纳米粒子的制备半导体复合纳米粒子的复合方式有核-壳结构、偶联结构（3）、固溶体和量子点量子阱。核-壳结构的复合纳米粒子制备时有一定的加料顺序，即先生成核，再在核外生成另一种半导体粒子对其进行包覆。偶联结构的复合粒子可分别制备然后混合或一次形成，这依赖于两种半导体粒子的属性、生成速率和溶度积的差别。固溶体的制备则必须在同一体系中同时完成。1.3.纳米光电材料的良好特性        用于光电的半导体材料在尺度缩小到纳米尺度时会表现出与大尺寸材料不同的光学点穴性质。这是因为当材料尺寸减小时会显现出量子

6、化的效果。由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中,在此条件下,导带和价带能带过渡为分立的能级。因而有效带隙增大,吸收光谱阈值向短波方向移动,这种效应就称为尺寸量子效应。        量子尺寸效应除了会造成光学性质发生变化还会引起电学性质的明显改变。这是因为随着颗粒粒径的减少,有效带隙增大,光生电子具有更负的电位,相应地具有更强的还原性,而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性。        表面效应（4）是纳米光电子材料的另一个重要特性。纳米粒子表面原子所占的比例增大。当表面原子数增加到一定程度，粒子

7、性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定。由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了它有更高的活性。        由此可以看出纳米光电材料比普通光电材料有更高的光催化活性。22.1.太阳能转换为化学能光解水产生氢气（5，6）　在CdS—ZnS体系中，不论是核-壳结构的CdS/ZnS还是ZnxCd1-xS固溶体，加入空穴俘获剂，连续光解，氢的产率远高于纯CdS粒子单独存在时的产率。入射波长λ>400nm时，连续光解10—12h，氢的产率随ZnS含量的增大而提高，Zn:Cd=1:1时，产率最高。2.2.太阳

8、能转换为电能太阳能电池：太阳能电池的光电转换效率是四个因子的乘积（7）：η=Kthr×Kst×Y×f×100%　　(a)Kthr表征了由于半导体中光吸收的量子特性所引起的能量损耗，Kthr与半导体的禁带宽度有关。　　(b)Kst表征能量储存的效率，即利用在光激发过程中产生的电子-空穴对的能量(≈Eg)作有用功的效率。光电太阳能电池中Kst=eφ0,cph/Eg　φ0,cp