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Si纳米晶论文：第一性原理量子效应能带结构和态密度快速热处理

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【摘要】Si纳米晶薄膜具有明显的优势，其无毒、原材料丰富、高效率和低成本，并且具有量子效应，通过控制Si纳米晶的尺寸大小可以改变其光电性能，具有非常广泛的应用前景，是科学研究和工业发展的热点之一。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法，对SiO2包埋不同尺寸的Si纳米晶薄膜的光电性能进行了研究，并通过比较分析，研究其变化规律。最后对SiO2包埋不同尺寸的Si纳米晶进行了尝试性制备，寻求合适的制备工艺实现对Si纳米晶尺寸的可控。通过对优化以后的模型进行分析可以发现，随着Si纳米晶尺寸的减小，薄膜的晶格常数和体积增大，这和Si-Si键以及Si-O键的变化是有关系的，优化后的体系经过了充分的弛豫，在SiO2的包埋下处于一种亚稳状态。根据计算后的电子态密度可以看出，非线性光学现象主要由费米能级处的杂化电子的跃迁和回落而引起的，且Si纳米晶的尺寸越小，则相应的光学带隙则越大。通过对不同薄膜的光学性能对比发现，Si纳米晶的尺寸越小，相应的在紫外范围吸收系数则越大，吸收边发生了蓝移，且对可见光和近红外部分的吸收系数则非常低，反射率和折射率也在某些值附近波动，这主要是由于该波段的波长较长引起的。最后经过计算发现在可见光和近红外部分，Si纳米晶的尺寸越小，则透过率越大，理论计算后透过率高达97%。最后利用热丝化学气相沉积法对SiO2包埋的Si纳米晶进行了尝试性制备，经过研究发现，在热处理温度为9001000℃时，薄膜具有较好的性能，热处理温度越高晶粒尺寸越大，晶型相对较完整。通过对光学性能的研究发现热处理温度在9001000℃时，薄膜具有较高的吸收系数，且Si纳米晶尺寸越小，对紫外的吸收系数越强，而透过率则越高，和理论计算的规律具有较好的一致性。实际制备的薄膜透过率最高为91.7%。
【关键词】Si纳米晶；第一性原理；量子效应；能带结构和态密度；快速热处理；
【篇名】玻璃基Si纳米晶薄膜的设计与制备
【目录】玻璃基Si纳米晶薄膜的设计与制备

摘要

5-6

Abstract

6-7

第1章 绪论

10-20

1.1 太阳能电池的简介

10-12

1.1.1 太阳能电池的研究背景

10

1.1.2 太阳能的辐射特点

10-11

1.1.3 太阳能电池的发展

11

1.1.4 太阳能电池的种类

11-12

1.2 单晶硅太阳能电池的简介

12-15

1.2.1 提高单晶硅太阳能电池转换效率的几种方法

12-14

1.2.2 提升晶硅太阳能电池效率的局限性

14-15

1.3 量子点的简介

15-18

1.3.1 量子点的基本物理性能

15-16

1.3.2 量子点的非线性光学

16-18

1.4 提高晶硅太阳能电池的新方法

18-19

1.4.1 提高晶体硅太阳能电池的新方法

18

1.4.2 硅纳米晶薄膜的制备技术的发展

18-19

1.5 本章小结

19-20

第2章 硅纳米晶薄膜的模拟工具及研究方法

20-27

2.1 材料设计与计算材料科学

20-23

2.1.1 材料设计的发展

20-21

2.1.2 材料设计研究的内容

21

2.1.3 材料设计 Materials Studio 软件的介绍

21-23

2.2 Castep 模块的基本理论和使用

23-26

2.2.1 Castep 模块的基本理论

23-25

2.2.2 Castep 模块的使用

25-26

2.3 本章小结

26-27

第3章 硅纳米晶薄膜的实验方法和测试手段

27-35

3.1 硅纳米晶制备所用设备的介绍

27

3.2 DMX-220A 型镀膜设备的改进

27-31

3.3 热丝化学气相沉积的基本原理和方法

31-32

3.4 硅纳米晶薄膜的测试手段

3233

3.5 本章小结

33-35

第4章 硅纳米晶薄膜的设计和性能预测分析

35-50

4.1 引言

35-36

4.2 SiO_2包埋硅纳米晶薄膜的模型建立

36-38

4.3 SiO_2包埋硅纳米晶薄膜的计算方法

38

4.4 SiO_2包埋硅纳米晶薄膜的结构性质

38-41

4.5 SiO_2包埋硅纳米晶薄膜的电学性质

41-45

4.6 SiO_2包埋硅纳米晶薄膜的光学性质

45-49

4.7 本章小结

49-50

第5章 SiO_2包埋 Si 纳米晶薄膜的制备与测试

50-60

5.1 基片的清洗

51

5.2 实验的具体步骤

51-52

5.3 制备样品的性能测试

52-59

5.3.1 Si 纳米晶薄膜的晶体结构

52-54

5.3.2 Si 纳米晶薄膜的硬度

54

5.3.3 Si 纳米晶薄膜的表面形貌

54-55

5.3.4 Si 纳米晶薄膜的厚度

55-56

5.3.5 Si 纳米晶薄膜的光学性能

56-59

5.4 本章小结

59-60

结论

60-61

参考文献

61-65

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

65-66

致谢

66-67

作者简介

67