原位生长SiC/Si纳米异质结的结构调控和发光性能研究

SiC is an important extensional material for the fabrication of silicon based optoelectronic devices in virtue of its high chemical stability, outstanding electronic and mechanical properties and light emission at room temperature. Nowadays, improving the electronic and optical properties of SiC/Si heterojunction is becoming an important research topic in this field. This research will take the in situ grown SiC/Si nanoheterojunction as the research object and modulate the crystal lattice structure of nanometer Si and SiC, the dismatch and the interface states between Si and SiC, the electronic and optical properties of the SiC/Si nanoheterojunction by regulating the size and morphology of Si and SiC. Build the relationships between the microstructure of SiC/Si and its rectification, breakdown, light abstraction/reflection, photoluminescence and electroluminescence, and clarify structural regulation's effect of tailoring to electronic structure and controlling to carrier-recombination path in SiC/Si. Disclose the effect rule of the structural regulation to electronic and optical properties of SiC/Si nanoheterojunction, explore effective ways with nanotechnology which can improve the optoelectronic properties of SiC/Si heterojunction and provide ideas for the fabrication and application of SiC/Si optoelectronic devices.

SiC具有高的化学稳定性、优异的电学和机械性能以及室温下的可见光发射，是一种重要的硅基光电器件外延材料。目前，提高SiC/Si异质结的电学和发光性能是该领域重要的研究课题。本课题以原位碳化技术制备的SiC/Si纳米异质结(SiC/Si-NPA)为研究对象，通过调控纳米Si和纳米SiC的尺寸和形貌调节其晶格结构，实现对二者晶格适配度以及SiC/Si异质结界面态、电学和发光性能的调制。建立SiC/Si纳米异质结微观结构与其整流特性、击穿电压、光吸收、光反射、光致/电致发光性能之间的关系，阐明结构调控对SiC/Si纳米异质结电子结构的剪裁和载流子复合路径的控制作用。揭示结构调控对SiC/Si异质结电学和发光性能的影响规律，探索利用纳米技术提高SiC/Si异质结光电性能的方法，为SiC/Si光电器件的研发和应用提供思路。

本项目主要以多孔硅阵列（Si-NPA）为衬底，在其上原位生长纳米SiC层制备SiC/Si 纳米异质结阵列。利用XRD、Raman、SEM、TEM等测试手段对样品的微观结构、表面形貌进行了系统研究。通过改变Si-NPA和SiC的制备条件，对SiC/Si 纳米异质结阵列的结构进行了调控，研究了结构与异质结发光性能之间关系，进而揭示了结构和形貌调控对材料电子结构的影响。为了探究复合材料之间的协同作用，本项目以Si-NPA和石墨烯为衬底，采用多种制备技术，在其上沉积半导体和碳纳米材料，制备了硅基和石墨烯基纳米复合材料。通过测试样品的光致发光（PL）谱、场发射和伏安特性等光电性能，研究了纳米材料的微观结构和表面形貌与纳米复合材料的发光、电学性能之间的关系。通过薄膜层材料与复合材料性能的比较，揭示了膜层材料与衬底材料之间的协同作用。研究发现这种协同作用一方面来自于复合材料独特的表面形貌，另一方面来自于界面过渡层对电子传输路径的优化。该研究为纳米复合材料的制备、结构调控和研究方法提供了重要参考依据，同时揭示了纳米材料界面过渡层存在的协同作用，为材料结构和性能研究开启了新的研究思路。