纳米光电材料研究现状概述

纳米光电材料研究现状概述

詹远（华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北武汉4300

作者简介：詹远，华中科技大学光电子科学与工程学院。

摘要：文章综述了纳米薄膜、纳米粉、纳米线、纳米管等各种纳米光电材料的研究现状和应用前景。

关键词：纳米薄膜，纳米粉，纳米线，纳米管，光波导

1概述

1.1纳米光电材料

纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。由于其良好的性能、巨大的发展前景而广泛用于光通信、光存储、全光网络、光电探测器等各个方面。

1.2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。

1.3纳米材料的分类

纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。

纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。

一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。

纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。

本文将从以上三种材料来介绍。

2纳米粉在广电探测器中的研究

纳米粉体具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应等各种效应，所以纳米粉体表现出强吸光能力、高活性、高催化性、高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力等奇特理化性能。纳米粉体的所具有的特异性能使其潜在应用价值极大。

原有的薄层型光电探测器能获得极高的响应速度,但其光学吸收变差,有可能降低器件的灵敏度,这一点对硅光电探测器来说尤其明显,Si的间接带隙特性使得其吸收系数要比Ⅲ2Ⅴ族材料的低很多。实验表明,只要增加一层金属纳米粉末涂层,就能显著地改变硅薄膜型光电探测器的光吸收特性。现基于SOI（silicononinsulator）的光电探测器利用金属纳米粉末涂层同SOI波导模式的相互作用,可以显著改善薄膜型SOI光电探测器的光吸收特性。此外，通过精心选择纳米粉末涂层的材料和颗粒大小，还有望将增强光电流响应的光谱范围由可见光和近红外区扩展到红外区。

3一维纳米材料

当一维半导体材料的直径与其德布罗意波长相当时，它的导带与夹带进一步分裂，其能隙会随着直径减小而变大。这样以来量子限制效应、非定域量子相干效应和非线性光学都会表现明显。

定向耦合器(DC)是波分复用网络中最常用的基本元件之一。Yamada等人首次报道了一种基于纳米线波导的定向耦合器,两个耦合波导的横截面尺寸为0.3μm×0.3μm,间距仅为0.3μm。由于两个波导之间很强的耦合作用,定向耦合器的耦合长度仅为10μm,当耦合波导之间的间距减少时,波导长度还可以进一步缩短。由此可以制作出结构非常紧凑的3dB耦合器。在此基础之上,他们还制作了一种基于纳米线波导的Bragg反射型光上/下路复用器，它由两个在侧壁上刻有Bragg光栅的纳米线波导和两个基于纳米线波导的3dB耦合器构成。下路波长带宽不超过0.7nm,下路波长时输出端的消光比为8dB,其下路波长可以通过改变光栅参数来进行调节。

将SOI纳米线引入到热光开关中,有助于器件尺寸和功耗的减小。Chu等人首次报道了基于纳米线波导的1×1、1×2和1×4的Mach2Zehnder干涉型热光开关。光开关中采用的纳米线波导的横截面尺寸为300nm×300nm,这些热光开关器件所占的面积分别为140μm×65μm、85μm×30μm和190μm×75μm,消光比超过30dB,开关功耗低于90mW,开关响应时间小于100μs。

4纳米硅薄膜发光特性

纳米硅薄膜是由纳米尺寸的硅微晶粒构成的一种纳米固体材料,其晶粒所占的体积约为50%,另外50%则为晶粒之间的大量界面原子所占据。纳米硅薄膜由于独特的结构而具有一系列独特性质,如电导率高、光热稳定性好、光吸收能力强、光学能隙宽化、光致发光等,而且还具有明显的量子尺寸效应。近年来,已成功地研制了纳米硅异质结二极管，并正展开纳米硅薄膜太阳电池的研制,展现了纳米硅薄膜器件的广阔前景。

紫外光电探测器方面,O.M.Nayfeh等人制作了纳米Si薄膜紫外光电探测器。他们首先以电化学分解法在HF-H2O2混合液中制备了尺寸为1nm的纳米Si晶。然后开始器件的制作:在P型衬底上生长500nm的氧化层;接着用氢氟酸缓冲液在氧化层上刻蚀出器件图形;然后将硅片浸入纳米硅晶的酒精悬浊液中,用一种类似于金属电镀的电化学电镀方法,将纳米Si晶淀积到已刻蚀出的氧化层图形中,淀积厚度约500nm;最后,在纳米Si晶膜上淀积一层厚为4nm的半透明Au层,Au层之上和衬底背面分别淀积厚300nm的Au凸点,作为器件的引出电极。器件对可见光有很好的过滤特性,而对紫外光有较好的响应。

5.结束语

本文简要概述了一下各种类型的纳米光电子材料发展现状。随着纳米技术研究和开发的不断深入,纳米材料正逐步被应用于越来越多的领域。而今后它的发展也必将备受人们的瞩目。

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