Structural and Optical Properties of Porous Silicon Nanostructures pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Amato, G. (EDT)/ Delerue, C. (EDT)/ Bardeleben, H. J. Von (EDT)

出品人:

页数:633

译者:

出版时间:

价格:209.95

装帧:HRD

isbn号码:9789056996048

丛书系列:

图书标签:

• Porous silicon
• Nanostructures
• Optical properties
• Structural properties
• Semiconductors
• Nanotechnology
• Materials science
• Silicon
• Thin films
• Characterization

硅基纳米结构的功能化与器件应用前沿探索 本书聚焦于一类极具应用潜力的先进材料——硅基纳米结构，深入剖析其结构控制、光电功能实现及其在下一代电子、光电子和生物传感领域的前沿应用。 引言：硅基纳米体系的崛起与研究范式转变 在微电子技术迈向后摩尔时代的关键节点，传统硅基材料的性能已接近物理极限。为了突破这一瓶颈，研究的焦点已转向纳米尺度的结构调控，特别是基于硅的二维（2D）和一维（1D）纳米体系，如硅纳米线（SiNWs）、硅纳米片（SiNFs）以及二维硅烯（Silicene）及其衍生物。这些结构不仅保留了块体硅优异的化学稳定性和成熟的半导体特性，更因量子限制效应、表面效应和界面效应的显著影响，展现出与块体材料截然不同的、甚至“奇异”的电子和光子学特性。 本书旨在提供一个全面、深入的视角，探讨如何通过精确的自上而下（如光刻、刻蚀）和自下而上（如化学气相沉积、分子束外延、溶液法）的纳米加工技术，构筑具有特定形貌和晶格排列的硅基纳米结构，并详细阐述这些结构如何影响其宏观的光学响应、载流子输运特性以及集成器件的性能。 --- 第一部分：硅基纳米结构的精准构筑与表征 本部分着重于理解如何从原子尺度控制硅基纳米结构的形貌、尺寸分布和表面化学状态，这是实现功能化的基础。 第一章：硅基纳米结构的可控合成策略 本章详细梳理了当前主流的硅基纳米结构制备方法，重点关注如何实现尺寸均一性、高结晶度和高纵横比的控制。 1. 溶液化学法与模板辅助生长： 探讨了利用微乳液、溶胶-凝胶过程以及电化学合成法制备具有特定形貌（如球形量子点、花状结构）的硅纳米颗粒。特别关注无氧化物模板辅助生长一维硅纳米线阵列的工艺窗口和机制。 2. 气相沉积技术（CVD/MBE）在硅基异质结构中的应用： 深入分析了在不同衬底上外延生长高纯度硅纳米线和硅纳米片的技术挑战，包括应力弛豫机制和界面能的调控。讨论了如何利用掺杂剂在生长过程中实现轴向或径向的梯度掺杂。 3. 表面重构与二维硅材料的制备： 阐述了从块体硅表面剥离或通过外延技术制备硅烯的原理，包括对Si(111)-$sqrt{3} imes sqrt{3}$-In等缓冲层的依赖性，以及稳定化二维硅结构的表面钝化技术。 第二章：结构与缺陷的电子结构调控 纳米结构的物理性质与其内部缺陷和表面态息息相关。本章侧重于先进表征技术在揭示这些关键因素中的作用。 1. 高分辨电子显微镜分析： 介绍透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）在解析纳米线/片内部的晶格畸变、孪晶界和表面氧化层厚度方面的应用。讨论如何利用高角度环形暗场（HAADF-STEM）成像技术来区分轻元素（如氧）在硅晶格中的分布。 2. 表面化学态的XPS与俄歇电子能谱分析： 重点分析表面Si-O键、Si-H键的相对比例如何影响纳米结构的载流子俘获截面和费米能级位置。 3. 拉曼光谱与声子散射： 探讨纳米尺度下声子软化和峰位展宽现象的机理，如何利用拉曼共振效应来评估纳米结构的尺寸分布和内部应力分布。 --- 第二部分：硅基纳米结构的光电响应特性 本部分从物理机制上深入解析了硅基纳米结构中光生载流子的产生、复合和传输过程，以及如何通过几何限制来实现光吸收和发射的增强。 第三章：量子限制效应与发光特性 虽然块体硅是间接带隙半导体，但纳米结构可展现出显著的带隙蓝移和增强的发射效率。 1. 尺寸依赖的光谱特性： 详细分析了硅纳米晶（SiNCs）和极细硅纳米线中的量子点行为。讨论了表面态（如Si-OH、Si-H终止）对光致发光（PL）峰位和寿命的影响机制，区分表面态诱导的发射与真正的带边发射。 2. 载流子动力学与复合路径： 利用时间分辨光致发光（TRPL）技术，量化了不同尺寸纳米结构中载流子的辐射复合率和非辐射复合率。阐释了“无定形壳层”对发光效率的影响。 3. 近红外（NIR）光子学与片上集成： 探讨了如何设计长径比可控的硅纳米线来控制光在其中的有效传播长度和损耗，为片上集成波导和光调制器奠定基础。 第四章：载流子输运与电学性能优化 纳米结构的电学性能受界面势垒和表面散射的强烈影响。本章关注如何优化这些因素以提高器件性能。 1. 表面散射机制与载流子迁移率： 分析了纳米线横截面粗糙度、表面吸附分子对载流子平均自由程的影响。引入了电势阱模型来描述表面电荷对体态载流子浓度的调制。 2. 接触电阻的调控： 讨论了金属/硅纳米结构界面形成肖特基势垒的机制。对比了欧姆接触和肖特基接触在纳米器件中的应用，以及如何通过表面预处理或掺杂来实现低电阻接触。 3. 热电输运： 鉴于纳米结构在散热方面的潜力，本章探讨了如何通过引入晶界、声子散射中心来显著降低热导率，同时保持适中的电导率，以实现高的塞贝克系数。 --- 第三部分：功能化硅基纳米结构及其前沿器件应用 本部分将结构与性能的理解转化为实际的器件设计与性能提升，特别关注生物兼容性和光电转换效率。 第五章：硅基纳米结构的光电化学与太阳能转换 硅基纳米结构在光伏领域展现出超越块体硅的潜力，尤其是在低成本、柔性器件方面。 1. 光吸收增强机制： 分析了硅纳米线阵列（NWAs）中的“陷光效应”，包括光的多次散射和表面等离激元共振对吸收截面的增强。 2. 光电化学电池中的应用： 探讨了硅纳米结构作为高效光电极在水分解和二氧化碳还原中的作用。重点关注表面氧化物层对电荷分离效率和催化剂负载的影响。 3. 柔性光电器件的制造： 讨论了将高结晶度的硅纳米线转移到柔性聚合物基底上的关键技术，及其在可穿戴光电探测器中的应用潜力。 第六章：生物传感与神经形态计算的接口 硅基纳米结构的生物相容性和易于电学读出的特性使其成为生物传感和类脑计算的理想平台。 1. 高灵敏度的生物/化学传感： 阐述了基于硅纳米线场效应晶体管（NWFETs）的传感原理，即表面特定位点与生物分子结合引起的表面电荷变化如何调制沟道电流。讨论了表面功能化（如硅烷化、PEG化）以实现高选择性和低非特异性吸附的策略。 2. 神经元突触模拟器： 介绍了利用硅纳米线作为突触晶体管（Synaptic Transistors）模拟生物神经元连接强度的潜力。讨论了如何通过电学或光照方法调控纳米结构界面的离子迁移，实现长期增强（LTP）和长期抑制（LTD）等突触可塑性行为。 3. 体内成像与光动力疗法（PDT）： 研究了硅基纳米结构在生物窗口内（700-1100 nm）的透射特性，及其作为非氧化物半导体光敏剂在肿瘤治疗中的应用前景。 结论与展望 本书最后总结了当前硅基纳米结构研究中仍存在的关键挑战，例如大规模、低成本、缺陷受控的均匀生长，以及解决表面态导致的器件性能不稳定问题。展望未来，将多物理场耦合（光-电-热-化）的计算模拟与先进实验技术相结合，将是推动硅基纳米结构从实验室走向实用化的主要驱动力。本书旨在为材料科学家、器件工程师以及从事半导体物理研究的学者提供一份扎实的理论基础和前沿的实践指导。

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