纳米半导体材料在光电子学的应用
摘要：在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态，纳米半导体材料则是纳米材料中的一个极其重要的分支，经过纳米技术改造的半导体材料有着不同寻常的特殊性质。本文着重介绍纳米半导体材料在光电子学方面的诸多应用，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供利用的独特功能而具有极其广阔的发展前景。
关键词：纳米粒子、半导体纳米材料、光电子材料 正文 引言
纳米粒子的一个重要标志是尺寸和物理特征量相当。当粒子的直径与超导想干波长、激子的玻尔半径和电子的德布罗意波长相当时，小粒子的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大区别，而对于半导体材料特别是硅而言，其纳米粒了表现出较大的非线性效应和超快速的时间效应，可用作非线性光学材料，从而应用在光电通讯、数据处理、信息存储、成像技术、光开关等各个方面。 1.半导体纳米在光电子学方面的特性 1.1光学特性
纳米粒子的表面效应和量子尺寸效应对纳米粒子在光学方面的效应有很大影响，甚至使纳米粒子具有同质材料不具备的新的光学特性。 1.1.1蓝移和红移现象
对于纳米粒子的吸收光谱蓝移的原因归纳起来有两种解释，一种解释是量子尺寸效应。通常当半导体纳米粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时，随着半导体粒子尺寸的减小，半导体粒子的有效带隙增加，使相应的吸收光谱和光致发光谱发生篮移，从而在能带中形成以系列分立能级。另一种解释是表面效应，由于纳米粒子小，大的表面张力使晶格畸变晶格常数变小。键长的变短导致纳米粒子的键本征振动频率增大使红外光吸收谱移向了高波数。
具有相同自旋量子数的两个费米粒子放在同一空间位置上，则系统要在能量上分裂，这就是交换互相作用的体现。劈裂后，能量低的态对于跃迁禁戒态，载流子直接激发到这个态是不允许的，但这个态拥有较慢的速率（即有了较长的寿命）跃迁到基态，于是发射峰相当于接受峰，发生了红移。
综观纳米半导体的特有发光现象，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则、量子限域效应、缺陷能级和杂质能级等方面。 1.1.2宽频带强吸收
由于纳米粒子大的比表面积导致了平均配位数下降，不饱和键与悬挂键增多，存在着一个较宽的键振动膜分布，在红外光外场作用下，键振动膜对红外吸收的频率也存在一个较高的分布，这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。 1.1.3单个量子点的光学性质
单个空的量子点吸收单个光子，其吸收谱对光的极化不敏感，但产生（或湮灭）载流子的自旋是有吸收（或发射）的光的极化决定的。 1.2光电转换特性
纳米点是一种三维受限团簇，具有量子尺寸限制、量子遂穿、库伦堵塞等效应，在这方面应用的典型代表是纳米点太阳能电池。而纳米点太阳电池光电转换效率的提高又主要归因于以下原因：
(一) 量子尺寸限制效应，通过改变纳米点的尺寸，调控纳米点的带隙能量，改变
光吸收波长，采用多层不同尺寸的纳米点构成的薄膜可以吸收更宽波长范围的太阳光。
(二) 纳米点的多激子激发，即在纳米点中吸收一个高能量的光子激发产生多个电
子。纳米点的多激发使太阳光中短波长的光电子充分的产生多个电子，减少电子散射和释放声子而损失的能量。
(三) 多能带的形成，在超晶格结构中，纳米点间的结合在导带（和价电子带）中
形成小的分立能带。利用小能带间的光子吸收等复杂过程，可以改善太阳电池与太阳光谱的匹配程度。
(四) 中间能带的引入，在太阳能电池中插入纳米点阵列可以在太阳电池的带隙中
引入中间能带，导致低能量太阳光被吸收而产生电子孔穴，减小太阳光的透过损失。 1.3电学特性
电导特性、介电特性和压电特性是半导体材料的基本特性，这些特性与常规半导体材料有着很大的不同。 1.3.1电导特性
纳米半导体的电导是量子化的，量子电阻是常数，不再是经典物理所描述的那样等于电压对于电流的比例。 1.3.2介电特性
纳米半导体材料的介电常数随频率的减小呈现明显增大的趋势，而相应的常规块体半导体的介电常数较低，在低频范围内增大趋势远低于纳米半导体。在低频范围内，纳米半导体的介电常数呈现尺寸效应，即粒子半径很小时其介电常数较低，随着粒径增大介电常数先增加后降低，在某一临界尺寸呈现极大值。如在纳米TiO2半导体介电常数温度谱上存在一个峰，而在其相应的介电常数损耗谱也呈现一个损耗峰。前者是由离子转向极化造成，后者是离子弛豫极化造成的。 1.3.3压电特性
对于某些纳米半导体而言，其界面存在大量的悬挂键，导致界面电荷分布发生变化，形成局部点偶极距。若外加压力使偶极距取向分布等发生变化，在宏观上产生电荷积累，从而产生强的压电效应，而相应的粗半导体晶体直径可达微米数量级，其界面急剧减小（小于0.01%），从而压电效应消失。 2.纳米半导体在光电子方面的应用
硅纳米结构的尺寸小到一定范围时，会出现量子限域效应、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。通过这个性质，科学家们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级管等器件。 2.1光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质型半导体光电器件，由一块两边带有金属电极的光电半导体组成。当光照射在光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且辐射的能量又足够强，光导材料价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，导致光导体的电阻率变大。为了实现能级间的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度。
当光导体为非本征半导体，即有杂志能级存在时，光敏电阻在工作时还将有电流的增益。以n型半导体材料为例，当光照射在n型光电导体上时，它将产生电子-空穴对，在外电场的作用下，电子和空穴将分别向正极和负极飘移。但是
向负极飘移的空穴往往在途中被陷阱俘获。当电子达到正极而进入外电路时，光电导体内仍然存在被电子俘获的空穴，因此光电导体带正电。这部分空间电荷又将负电极的电子感应到材料中来，被感应进来的电子在电场的作用下飘移到正极，如此周而复始。这样的电子-空穴对电子流一直延续到陷阱中的空穴被电子复合掉为止，这种电荷的倍增效应相当于放大了初始光生电流。其中，硫化镉、硒化镉以及在红外波段使用的硫化铅、硒化铅等材料应用的最为广泛。 2.2光能转化为电能
光电池是直接把光能转化为电能的光电器件，而应用到半导体纳米技术的主要为p-n结型光电转化电池。比如硅太阳能电池就是在p型半导体表面扩散一层n型杂志，形成p-n结，利用光生伏特效应来进行光电转换。下面简要介绍下硅太阳能电池。
硅太阳能电池用扩散的方法在硅片上制作大面积p-n结，再做出上下电极的引线，即构成一个太阳能电池。为了能更多的利用太阳光辐射，正面电极常做成梳状结构。背面是与硅片呈欧姆接触的电极。
硅单晶型太阳能电池开路电压为0.55V，短路电流为35～40mA/cm2转换效率一般在10%左右，高的可达13.5～20%。
而多晶硅薄膜型太阳能电池是最近得到广泛研究的一种廉价太阳能电池。它的转化效率只有7%左右，但是它使用的多晶硅材料价格便宜，且用简单的真空涂镀法制作，特别是它不受晶体大小的限制，可做成大面积光电池，因而成为很有发展前景的一种太阳能电池。其他的半导体材料电池还有硒、硫化镉等材料，纳米半导体技术在光电转换方面的应用颇为广泛。 2.3半导体激光器
半导体激光器是激光器的一种，是一种注入式电致发光器件，它除了具备一般激光的相干性好、方向性强、发射角小、能量高度集中等特点外，还有如下独特之处：
(一) 半导体激光器体积小，重量轻，结构简单，抗震性强。但也有方向性差的缺
点。
(二) 在p-n结激光器中，让电流通过二极管本身就可产生激光作用。激励电源的
能量直接使电子进入导带，因而激光器的效率高，并且很容易通过调制电流来调制电流的发射。
(三) 在半导体激光器中，因跃迁与材料的能带性质有关，所以其特性也受到能带
结构及掺杂的强烈影响。
半导体激光器激励的方法很多。除了结型注入式激光器用电流注入激励外，还有电子束激励、光激励及雪崩击穿等。目前，以结型注入激光器的应用最为广泛。
2.4纳米半导体材料在光电子领域的其他应用 2.4.1光吸收材料
由于量子尺寸效应而产生的光吸收带蓝移，可用于紫外屏蔽、紫外光过滤等。如TiO2等，还有用于军事上的红外涂层如Al2O3等。 2.4.2光反射材料
特别是红外反射，如SiO2和TiO2合成的纳米复合涂层具有强冷光反射功能。 2.4.3发光材料
如多孔硅发光，量子点激光器和量子点阵列激光器等。 2.4.4发光二极管
按材料分有锗、硅或砷化镓；按结构分有点接触、pn结、肖特基势垒、异质结；按原理分有隧道、变容、雪崩和阶跃恢复等。主要用于检波、混频、参量放大、开关、稳压、整流等。光通信发展后，出现发光、光电、雪崩光电、pin光电、半导体激光等二极管。 3.纳米半导体光电子器件的进展 3.1纳米激光器
2001年美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人类头发丝千分之一的纳米光导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外光，经过调整后还能发射从蓝光到深紫外的光。 3.2紫外纳米激光器
继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世之后，美国加利福尼亚-伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制作成室温纳米激光器，它在光激励下，发射线宽小于0.3 nm、波长385 nm的激光，这种氧化锌纳米激光器被认为是世界上最小的激光器，也是纳米技术的首批实际器件之一。 3.3量子阱激光器
由直径小于20nm的一物质堆构成或者相当于60个硅原子排成一长串的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应发生冲突。如果这一物质堆是由有着适当性质的原子构成的，它就能对一个自由电子产生一种约束力，除非外界能量施加一个大小很精确的推力，否则这个电子就无法逃逸出去。这种“量子约束”产生了一些有趣的现象，应用这一现象可制造出光盘播放机中小而高效的激光器。这些所谓的量子阱激光器是由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成的。处在中间的电子被圈在一个量子平台上，只能够在两维空间中移动。这使得为产生激光而向这些电子注入能量变得容易一些。其结果是，用较少的能量可以产生较强的激光。 3.4新型纳米激光器
据2003年1月16日《自然》杂志报道：美国哈佛大学日前成功开发出一种新型纳米激光器，比人的头发丝还细千倍，可自动调控开关。将其安装于微芯片上，能提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量，加速信息技术的集成化发展。这种新型激光器实际上是以半导体硫化镉为原料制成的纳米线，直径仅一万分之一毫米。
3.5纳米管光开关
美国纽约Rensselaer PolytechnicInstitute正在研究单壁碳纳米管和聚合物的组成特性，确定这种单壁纳米管光开关特性的工艺主要参数：衰减时间和调制深度，这主要取决于三级非线性极性特性。
经实验验证：这种纳米管的水平对称性使其延迟时间小于1 ps，传输调制比率高达10-4，经验证后确定推荐用于高速开关，并且这种元器件极易集成到光纤通信系统中。 总结
纳米半导体材料在光电子学的应用十分广泛，尤其在光通讯方面。人类已进入了信息时代，光通信技术已进人人们的生产和生活中，为了使光通信技术以更低的成本大量普及，纳米半导体与光电子学的结合带来了纳米光通信这一新的发展领域，这是继光纤通信、量子保密通信之后发展起来的又一崭新领域，前途无限广阔。
引文
(1) 程开富.纳米光电子器件的最新进展及发展趋势[J].纳米器件与技术,2004,8. (2) 张臣.纳米半导体光电子材料进展与展望[J].中国光电行业及市
场,2008-2009.108-118.
(3) 程开富．纳米电子／纳米光电子技术[J].飞通光电子技术,2002,2(2):76-80． (4) 牛俊杰,沙健,马向阳,张辉,杨青,杨德仁.光电子领域中的纳米半导体材料[J].材
料导报,2002,11.16(11):62-66.
(5) 徐学俊，余金中，陈少武．SOI纳米线波导和相关器件研究进展[J].半导体光
电,2007.
(6) 张屯德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2001,483.