Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶在光電器件方面的應用研究進展

王旭

（上海先著點光電科技有限公司，上海 215004）

0 引言

受Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶自身特點影響，研究人員對其關注度不斷提高，在光電器件制作方面的應用頻率愈來愈高。之所以半導體材料能在光電世界中的應用頻率不斷提高，主要是因為半導體晶格可以融入多種元素，從而可以加快載流子遷移速度。以Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶為例，調整納米晶尺寸可以改變Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶發光性質，改變Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶自身粒徑可以改變發光顏色等等。正因如此，研究人員對此項研究工作的關注度在不斷提高。本文針對Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶在光電器件中的應用進行了詳細論述，以期推動光電器件行業發展。

1 納米材料

1.1 納米材料簡介

納米材料是21世紀的高科技材料之一，自身具有特殊性質，其本質為以納米結構為原材料制作的其他材料。納米材料尺寸在體相材料與單分子材料之間，因此無法應用傳統研究方法展開研究，而應以傳統研究方法為基礎開展創新研究。在近二十年中，納米科學發展速度不斷增加，并且在物理、化學、生物等多個領域的出現頻率也不斷提高，即伴隨著納米科學研究工作的不斷發展，一定會對其他領域產生影響，推動其發展，在此過程中，必然會出現新學科，比如納米化學、納米生物、納米電子等。

從狹義角度進行分析，納米材料本質上是由納米顆粒組成的固體材料；從廣義角度進行分析，納米材料是指在微觀結構中，在各個維度中，至少有一個維度尺寸符合納米尺寸范圍。

1.2 納米材料表征方法

納米材料可以通過尺寸、形貌、結構等特征進行表征，具體如下。

（1）尺寸表征：尺寸表征屬于納米材料的基本表征之一，是研究人員分析材料是否為納米材料的基礎。具體表征參數包括零維納米顆粒的粒徑，一維納米纖維線管的直徑、長度和長徑比等等[1]。

（2）形貌表征：納米材料形貌表征也是納米材料表征的基本組成之一，包括顆粒、纖維、線等多種形式。

（3）成分表征：納米材料成分表征本質是指分析材料元素組成及具體價態，分析其內部存在哪些雜質。

1.3 納米材料分類

在具體研究工作中，研究人員可以選擇的納米材料劃分標準有很多，現階段，研究人員常用標準有兩類。第一類為參考價納米材料形貌與維數進行劃分，第二類為參考納米材料具體組成成分進行劃分。通常情況下，根據第一類劃分標準可以將納米材料分為零維原子團簇、一維納米纖維線管、二維納米薄膜片以及三維納米塊體四大類；根據第二類劃分標準可以將納米材料分為金屬及合金納米材料、無機非金屬材料、有機納米材料、半導體納米材料和氧化物納米材料五大類。

2 半導體納米材料概述

2.1 半導體納米材料簡介

現階段，研究人員在針對納米材料進行研究時，主要研究內容有兩項，第一項，以體相材料對比為切入點，對納米材料結構與性能展開詳細分析，掌握納米材料特性變化規律，結合相關研究結果優化納米材料概念及理論研究體系；第二項，針對其擴展材料進行研究，主要研究內容為新型納米材料[2]。

半導體納米材料是指材料尺寸處于納米范圍內的超微半導體材料，具體大小處于粒子與原子簇之間。半導體納米材料主要由兩部分組成，以直徑長度為具體劃分標準。半導體納米材料自身具有獨特的物理特點與化學特點，受到了國內外眾多研究學者的關注，現階段，如何應用半導體納米材料成了材料科學領域的重點研究內容。而納米科技發展速度的不斷提高，使相關研究工作也獲得了一定成績，其中部分研究人員的研究重點為以量子點、量子線等組成為主的納米結構，經過他們的不懈努力，在此方面也獲得了非常大的進步。

2.2 半導體納米材料特性

2.2.1 光學特性

半導體納米材料光學特性本質為當半導體納米材料尺寸與電子的德布羅意波長、激子的玻爾半徑和超導態的相干波長相接近時，小粒子會出現量子尺寸效應[3]。而且半導體納米材料擁有較大比表面積，導致其表面與內部原子電子會表現出較大區別，上述情況都會對半導體納米材料光學性能造成影響，甚至會導致半導體納米材料形成其他材料不存在的光學性能。其中常見新光學性能如下。

（1）藍移現象：即吸收譜向短波方向移動?？梢员话雽w納米材料吸收的光譜出現藍移現象的原因有兩點：第一點，量子尺寸效應，即半導體納米材料帶隙值與自身尺寸二者存在反比關系，即尺寸不斷增加，帶隙值不斷降低，導致所吸收光譜出現藍移情況；第二點，發生表面效應，納米材料尺寸非常小，因此其表面具有較大張力，在實際工作中，納米材料自身晶格會出現變化，晶格常數與鍵長之間呈現為反比關系，使得鍵自身振動頻率增加，造成藍移現象[4]。

（2）寬頻帶強吸收：半導體納米材料比表面積較大，其平均配位數比較低，會增加不飽和鍵數量增加，導致鍵震動膜之間的縫隙增加。這種情況會導致材料對光的吸收頻率范圍擴大，導致半導體納米材料吸收帶擴寬。

2.2.2 光電轉換特性

半導體納米材料自身具備多個量子點，而每個量子點都會受到多個維度影響，再加上自身具有量子尺寸效應、表面效應 其中最具代表性的應用就是量子點太陽能電池，造成此類物質光電轉換效率明顯提高原因如下。

（1）量子尺寸效應：量子尺寸效應是量子點的根本特性，通過調節量子點自身大小，可以改變量子點加息，改變光吸收波長范圍。在制作薄膜時，技術人員會選擇不同尺寸量子點，因此可以吸收更多太陽光，使太陽光利用率得到了有效提升[5]。

（2）量子點的多激子效應：量子點吸收某個高能量光子發射處的電子，促使短波長太陽光可以產生更多電子，降低能量損失概率，提高光電轉換率。

2.2.3 電學特性

電學特性作為半導體的基本特點之一，其本身具有極強的可塑性，但是受限于半導體納米材料介電壓性質，導致其自身電學特性與普通半導體之間存在較大差異，具體特點如下。

（2）介電特性：半導體納米材料介電常數與測試頻率二者呈現為反比關系，即測試頻率降低，介電常數將增高，而且低頻范圍內的半導體納米材料介電常數上升趨勢明顯高于體相半導體材料。

2.3 半導體納米材料制備

2.3.1 物理制備法

以往研究人員在使用物理方法制作半導體納米材料時，首先要做的就是根據具體情況選擇不同方法完成大物質粉碎處理，比如超聲波粉碎法、沖擊波粉碎法、低溫粉碎法、蒸氣快速油面法、蒸氣快速冷卻法、分子束外延法等。近幾年，伴隨著相關科技的不斷發展，出現了許多新方法，比如將聚苯乙烯微球旋涂在基片中，這樣在不同轉速下可以獲得不同空隙度，然后再使用物理氣相沉積法獲得銀膜，隨后再使用熱處理獲得銀納米顆粒矩陣。

2.3.2 化學制備法

固相法：常用固相法包括兩類，第一種為物理粉碎法，即使用相關設備開展粉碎工作，以此來獲得納米粒子，相對于其他方法而言，此方法具有操作難度小、成本低等優點，但是缺點也非常明顯，那就是無法獲得高精度產品，顆粒尺寸分布不均；第二種為熱分解法，即對金屬化合物進行加熱，然后獲得超微粒子粉末，此做法的缺點為生成物容易發生固結現象，需要對其進行二次分解處理，所需成本較高。

氣相法：與固相法所不同的是，此方法可以獲得高純度納米粒子，且納米粒子尺寸非常均勻，除此之外，還可以控制氣氛，獲得其他非氧化物納米粒子，比如金屬碳化物或硼化物等等。這是其他制作方法無法比擬的，因此它在眾多納米材料制作方法中占有較高地位，常用氣相法包括真空蒸發冷凝法、高壓氣體霧化法、高頻感應加熱法、化學氣相沉積法等[7]。

2.3.3 液相法

近幾年，伴隨著研究工作的不斷深入，獲得了新的研究成果，即可以使用液相合成法來獲得納米晶。液相法不需要使用繁瑣、復雜的設備，只是簡單地將溶液混合、調控就可以獲得納米晶。常用液相法有如下三種。

（1）沉淀法：現階段，通過沉淀獲取納米晶的方法有三種，第一種，直接沉淀，即將溶液混合，獲取沉淀，利用沉淀合成氧化物納米粒子；第二種，共均勻沉淀，即控制沉淀生成速度，降低晶粒凝聚速度，使沉淀以一種均勻狀態出現在溶液當中，提高納米粒子純度；第三種，催化劑沉淀，即在混合溶液中加入沉淀劑，再使用加熱分解法獲取納米粒子。

（2）溶膠凝膠法：選擇高化學互動組成的化學物為反應前驅體，在液相環境中對原材料進行均勻混合處理，然后再憑借水解操作獲得溶膠，引導溶質完成膠化處理，再通過加熱去除其中的有機成分，獲得納米粒子。此方法的優點為可以獲得傳統制備方法無法獲得的產物。

（3）水熱反應法：根據水熱反應類型，可以將其分成氧化、還原、水解、沉淀、結晶五大類。此方法的優點為成本低、分散性高、純度高、結晶性強。

3 Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶在光電器件方面的應用

伴隨我國社會經濟的不斷發展，能源需求日益提高，提高可再生能源的利用率成了首要問題，太陽能電池研究課題備受關注?，F階段，太陽能電池研究領域的熱門研究話題為如何使用硅基及其他無機金屬化合物制作太陽能電池。但是此項工作制作流程復雜、成本較高，因此無法大范圍推廣。在國際范圍內，有機/聚合物太陽能電池應用頻率不斷提高，與硅基及其他無機金屬化合物制作的太陽能電池相比，有機/聚合物太陽能電池具有材料來源廣泛、制作流程簡單等優點，但是目前，有機/聚合物太陽能電池穩定性較低，為解決此類問題，研究人員嘗試在其中加入無機半導體納米晶，以提高太陽能電池穩定性。出現此情況的主要原因為無機半導體納米晶材料具有以下兩大優點：（1）通過調節材料種類、尺寸可以改變半導體納米晶能級與帶隙，提高其性能，擴大太陽能電池應用范圍；（2）半導體納米晶材料電子遷移速率較高，化學穩定性較強。

現階段，研究人員針對Ⅱ-Ⅵ族無機半導體納米晶材料研究較多，主要研究內容包括CdSe、CdS、CdTe、ZnO等，以及有機聚合物的PPV類物質，比如MEH-PPV、MDMOPPV、P3HT等。

目前，與由CdSe納米晶和有機半導體制成的太陽能電池有關的報道最多。1996年，N.C.Greenham在具有空穴傳輸性能的聚合物MEH-PPV中加入了粒徑為5nm的CdSe納米晶，MEH-PPV中出現了熒光淬滅情況。造成這種情況出現的主要原因為在光照條件下，納米晶中的空穴因光照影響會轉移到聚合物中，但是電子卻仍然依附在納米晶表面，導致給體與受體之間會出現電荷分離現象。研究結果表明，太陽能電池內部填充因子為0.26，光電轉化率僅有0.1%。之所以出現此情況，主要是因為在此體系中電子傳導能力較低，只會在納米晶之間完成跳躍，最終落至納米晶/聚合物網絡中。為了改變這一情況，提高電子遷移率，Huynh等研究人員嘗試找到可以替代納米晶的材料，最早使用CdSe納米棒，以及空穴傳輸能力更好的聚噻吩（P3HT），但是實際效果并不理想。

除此之外，近年來，許多研究人員嘗試使用ZnO與CdTe制作異質太陽能電池。與CdSe所不同的是，CdTe納米晶吸收范圍更加廣，提高了太陽能電池光譜響應范圍，并且其遷移率更，可以更好地完成電荷離化。Waldo JEB等研究人員首次使用MDMO-PPV與5nm的ZnO納米棒完成了異質結太陽能電池，對其進行詳細分析后得到結論：ZnO與MDMO-PPV界面之間能更好地分離電子與空穴，而且ZnO電子遷移率較高，能量轉換效率可以達到1.6%。Donghwan等研究人員借助電鍍法將垂直排列的CdTe納米晶與P3OT聚合物制作成了異質結太陽能電池，改善了太陽能電池的光學吸收范圍與電荷離化，與純聚合物太陽能電池相比，所制作異質結太陽能電池的光電轉換率更好，可以提高為1.06%。

4 結語

現階段，Ⅱ-Ⅵ族半導體納米晶在光電器件方面的應用研究工作正處于不斷發展之中，會發現許多問題，研究人員應針對所發現問題進行具體分析，制定具體解決方案，推動研究工作發展。伴隨研究工作不斷深入，此方面研究終將會獲得令研究人員滿意的成果，在未來的實際工作中，研究成果終將被普及。