[发明专利]一种硅基半导体-金属纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硅基半导体‑金属纳米复合材料，自外而内依次包括高温保护层、等离激元吸收层以及有序硅纳米柱阵列陷光层；所述高温保护层为氧化铝；所述等离激元吸收层为金纳米颗粒。本发明根据具有陷光特性的周期性硅纳米阵列结构，将金属溅射在上面可以拓宽硅的光吸收波段，从之前截止的1100nm拓宽到了全光谱，同时周期性纳米结构的光共振耦合吸收类光子晶体，使其吸收增强。

技术领域

本发明涉及一种硅基半导体-金属纳米复合材料及其制备方法，属于硅基光热转换领域。

背景技术

自然界中几乎所有物质都能表现出光热效应，即物体吸收照射光的光子，将光子能量转换成热能。其中，宽频、高效的光吸收是实现高效光热转换的先决条件。具有表面等离激元增强效应的纳米金属颗粒有着独特的光吸收特性，单独的纳米金属颗粒，例如金，只能吸收其等离激元共振峰周围的窄带光，通过在特定结构上获得不同尺寸纳米金颗粒，即可实现高效的宽光谱吸收，高效的宽光谱吸收在太阳能电池、红外成像等方面有着广泛的应用前景。同时由于金属介电常数虚部的存在，在纳米金属颗粒形成表面等离激元增强效应时，光场也会强烈损耗，光场中的能量产生强烈焦耳热效应。因此，纳米金属颗粒也有着高效的光热转换性能。优异的光热转换性能以及在高温下稳定的光吸收，这在热光伏太阳能电池、太阳能水蒸发等领域中也有着重要的应用价值。

硅作为当前最重要的一种元素半导体材料，是现代微电子产业的基石，具有成熟的制备工艺。利用硅纳米柱是可以提高硅在1100nm以下的光吸收，但是还未发现将溅射金属的硅纳米线应用于光热反应，因为存在热量转换不足以及稳定性差、寿命短等问题以及无法实现全光谱的吸收，光热效果大打折扣。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种硅基半导体—金属纳米复合结构及其制备方法，本结构实现了高效宽光谱吸收，同时利用耐温材料包覆使结构在高温处理后保持高效的宽光谱吸收；该结构在太阳光模拟器照射下具有优异的光热转换性能。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种硅基半导体-金属纳米复合材料，其特征在于：自外而内依次包括高温保护层、等离激元吸收层以及有序硅纳米柱阵列陷光层；所述高温保护层为氧化铝；所述等离激元吸收层为金纳米颗粒。

本发明进一步限定的技术特征为：所述有序硅纳米柱阵列中的硅为p硅和/或n硅。

本发明还公开了一种硅基半导体-金属纳米复合材料的制备方法，其特征在于包含以下几个步骤：

1)清洗干净的p-Si单晶硅作为衬底；

2)利用PS小球水中自组装特性，在水中得到单层密排PS小球，通过提拉法在衬底片上覆盖一层密堆积PS小球作为掩膜板；

3)将样品放入等离子体刻蚀机腔室，利用ICP氧气环境刻蚀PS小球；

4)在样品表面磁控溅射金薄膜；

5)将样品置于甲苯中超声去除PS球，获得金网络阵列结构；

6)在室温下将样品放入HF与H2O2混合溶液中刻蚀硅纳米线；

7)在样品表面磁控溅射金纳米颗粒；

8)在样品表面原子层沉积A12O3薄膜。

本发明制备方法进一步限定的技术特征为：在步骤4)中，腔体抽真空至4*10-4Pa，通入氩气，流量设置为40sccm，功率设置为100W，预溅射120s后打开挡板阀，在样品表面溅射金膜10s～30s。

进一步的，在步骤6)中，在室温稳定在20℃的超净间进行湿法刻蚀，配置氢氟酸和过氧化氢的混合溶液，浓度分别为4mol/L、0.88mol/L，静置10min，将制备有金网络阵列结构的硅片放入溶液中，通过控制刻蚀时间调控硅线长度。