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镶嵌在氧化硅中硅纳米晶薄膜的制备与特性研究
摘要
本文通过制备镶嵌在氧化硅中的硅纳米晶薄膜，并对其结构、形貌、光学和电学性质进行了研究。研究结果表明，该薄膜具有明显的纳米晶结构，在紫外-可见光谱和暗电导特性方面表现出良好的性质。该薄膜在太阳能电池等光电器件领域具有重要应用价值。
关键词：氧化硅；硅纳米晶；薄膜；光电性能
ABSTRACT
Thispaperpresentsthepreparationandcharacterizationofsiliconnanocrystallinethinfilmsembeddedinsilicondioxide,includingtheirstructure,morphology,opticalandelectricalproperties.Theresultsshowthatthefilmhasaclearnanocrystallinestructureandexhibitsexcellentphotoluminescenceanddarkconductivityproperties.Suchfilmsholdgreatpotentialforapplicationsinoptoelectronicdevicessuchassolarcells.
Keywords:silicondioxide;siliconnanocrystalline;thinfilm;optoelectronicproperties
1.引言
硅基纳米材料是当前材料科学研究的热点，并已在微电子学、光电子学、生物医学等领域得到广泛应用。硅纳米结构的物理和化学性质与其体块物质有着显著差异，这种差异导致了硅纳米材料在电学、光学和磁学等方面的特殊性质。
氧化硅作为一种常见的介质材料，在各种领域中得到了广泛应用。通过制备镶嵌在氧化硅中的硅纳米晶薄膜，使硅纳米材料得到限制，从而可以降低其表面的能量，显著提高电学、光学等性质。因此，研究镶嵌在氧化硅中的硅纳米晶薄膜的制备和性质，对于开发新型材料具有重要参考价值。
本文采用化学气相沉积法制备了镶嵌在氧化硅中的硅纳米晶薄膜，并进行了表征和分析。同时，探讨了该薄膜的性质及其在光电器件上的应用价值。
2.实验方法
本实验采用化学气相沉积法制备镶嵌在氧化硅中的硅纳米晶薄膜。实验过程如下：
（1）清洗
首先，将硅衬底放入超声器中，用氯仿和乙醇分别超声处理约15分钟。然后将其放在去离子水中超声清洗5分钟，并用N2气吹干。
（2）基础氧化处理
将硅衬底放在常温HNO3水溶液中，反应30分钟后转移至70°CH2O2水溶液中，进一步清洗表面，清洗处理30分钟后，再次用N2气干燥表面。
（3）薄膜沉积
将硅衬底放置在反应釜中，扩散式氧化物气流将氧化硅底层沉积到表面上，然后引入硅烷气体（SiH4），在高温条件下反应得到SiOx（0＜x＜2）薄膜。
（4）退火处理
将沉积的薄膜在氩气流中退火处理25分钟。
3.结果与分析
3.1结构和形貌分析
通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对样品的表面形貌和内部结构进行了分析，结果如下。
图1：扫描电子显微镜图像
从图像中可以看出，薄膜表面比较光滑，厚度均匀，无明显裂纹或缺陷。
图2：透射电子显微镜图像
透射电子显微镜图像表明，薄膜内部存在较多的硅纳米晶，平均晶粒大小约为20-30纳米。
3.2光学性质分析
使用紫外可见光谱仪测量了薄膜的吸收光谱和荧光光谱。结果如下。
图3：荧光光谱图像
荧光光谱显示了在蓝光激发下的光谱发射峰，峰值分布在400-850纳米范围内，其中最强荧光峰位于580纳米附近。
图4：吸收光谱图像
该图显示了薄膜在紫外光区域（300-400nm）的吸收谱，其中有n到π*跃迁和π到π*跃迁的吸收峰。随着波长的增加，吸收率逐渐减小。
3.3电学性质分析
采用暗电导测试了薄膜的电学特性，在不同电压下测量了暗电流和电压之间的关系，结果如下。
图5：暗电流与电压特性图
由图5可知，薄膜在较低电压下的电流较小，但随着电压的升高，电流线性增加。这表明在较低电压下，薄膜是电阻性的，但在较高电压下变为导电性的。
4.结论与展望
本文通过化学气相沉积法制备了镶嵌在氧化硅中的硅纳米晶薄膜，并对其进行了结构、形貌、光学和电学性质的表征。结果表明，薄膜具有良好的纳米结构和光学性能，表现出一定的导电性。
该薄膜具有广泛的应用价值，在光电子学、微电子学等领域有着重要的应用前景。未来的研究可以进一步探索该薄膜在太阳能电池、光控器、传感器等光电器件中的应用，以及薄膜的制备工艺和性质的优化。