硅纳米孔柱阵列形成机理的研究

论文摘要

本论文详细分析了硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）形成过程及腐蚀结果，基于多孔硅在酸性溶液中的形成机理及硅在碱性溶液中的各向异性腐蚀机理，结合多孔硅及Si-NPA制备过程中的实验现象，证明了硅在酸性溶液中存在各向异性腐蚀。在扩散限制模型基础上，引入各向异性腐蚀的机制，提出Si-NPA的第一种腐蚀模型-空穴必须模型。该模型将硅在HF和Fe（NO3）3溶液中的水热腐蚀过程简化为空穴在硅体内的随机行走，行走到表面原子位置后，获得空穴的原子根据悬键个数的差异以不同的概率被腐蚀。此模型中存在两种机制：空穴随机行走和各向异性腐蚀。本文详细的分析了两种机制在腐蚀过程中的作用，并解释了Si-NPA必须利用高掺杂的p型硅片的原因。本文利用蒙特卡洛方法编程对上述模型进行三维计算机模拟。模拟过程中引入空穴浓度和不同悬键的原子腐蚀概率两个重要参数。并分析了两个参数对形貌、孔隙率和分形维数的影响。尝试不同参数进行模拟发现，腐蚀结果始终是一种多孔状结构，与Si-NPA形成过程中的形貌有较大的出入。空穴必须模型模拟结果与实验有较大的偏差，然后结合空穴的概念，对腐蚀的物理过程进行分析，提出空穴只是在整个腐蚀过程中起加速腐蚀的作用，由此提出第二个模型-空穴辅助模型。该模型硅在HF溶液中主要基于各向异性腐蚀，而空穴扩散到表面后加速表面原子的腐蚀。与第一个模型的区别是：在第一个模型中，空穴的到达是腐蚀过程的必要条件；在第二个模型中，空穴的到达只是加速该原子的腐蚀。本文详细分析了两种腐蚀机理在腐蚀过程中的作用，解释了实验中发现的硅柱表面和底部的多孔层结构，同时解释了随着溶液浓度的增加，硅柱变大，面密度减小的实验现象。最后针对空穴辅助模型进行计算机模拟，通过参数的改变得到了不同类型的硅柱，从而证实了上述理论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 多孔硅的形成机理
• 1.1 多孔硅的制备及形貌
• 1.2 腐蚀机理的研究
• 1.2.1 Beale模型
• 1.2.2 Lehmann模型
• 1.3 多孔硅形成的计算机模拟
• 1.3.1 扩散限制模型
• 1.3.2 渝渗模型
• 第二章 硅的各向异性腐蚀
• 2.1 硅各向异性腐蚀的过程
• 2.2 硅各向异性腐蚀的模拟方法
• 2.2.1 几何模型
• 2.2.2 原子模型
• 第三章 Si-NPA的形成机理I-空穴必须模型
• 3.1 硅纳米孔柱阵列的制备及形貌
• 3.2 硅在HF溶液中的各向异性腐蚀
• 3.3 Si-NPA形成的物理模型-空穴必须模型
• 第四章 基于空穴必须模型的计算机模拟
• 4.1 计算材料学的特点
• 4.2 蒙特卡罗方法
• 4.3 空穴辅助模型的计算机模拟
• 4.3.1 单晶硅的结构
• 4.3.2 计算机模型的确立
• 4.3.3 模拟结果及讨论
• 第五章 Si-NPA的形成机理II-空穴辅助模型及计算机模拟
• 5.1 空穴辅助模型
• 5.2 改变溶液浓度研究形貌变化
• 5.3 计算机模拟算法
• 5.4 计算机模拟结果
• 第六章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在攻读硕士学位期间发表的论文