導論

1.1 簡介與研究動機

塊材矽(bulk crystalline silicon ,c-Si)主導了微電子科技(microelectronics technology) 是現今最重要的半導體材料，但塊材矽卻因能隙小與非直接能隙(indirect band gap)的特 性被認為應用在光電元件(optoelectronic devices)有相當大的困難。由於實驗技術的進步 1990 年在矽奈米顆粒(nanoparticles)[1] 、多孔矽(porous silicon)[2] 、矽奈米線(silicon nanowire)[3] 等樣品成功量測到發光效率佳的可見光波段光激發螢光(PL, photolumines -cence)。將矽晶體結構控制在奈米尺度成功克服了塊材矽的缺點為矽晶體在發光元件 (light emitting devices)[45]與太陽能光電元件(photovoltaic cells) [67]的應用帶來新的希 望。由於量子侷限效應(quantum confinement effect)，我們利用矽奈米晶體(silicon nano -crystals)能透過改變大小控制電子結構與能隙的優點，找出矽奈米晶體適合應用的光吸收 波段或發光波段。在實驗[8] 和理論[910]上都顯示不同的表面鈍化將會強烈的影響矽奈 米晶體的發光特性(emission properties)，但矽奈米晶體的光吸收特性(absorption proper -ties)卻由矽奈米晶體本質的結構(intrinsic structure)而非表面鈍化的材料所主導[11] 。因 此我們將研究焦點集中在矽奈米晶體的電子結構與光吸收特性，並找出矽奈米晶體適合應 用在太陽能電池的尺寸與光吸收波段。圖 1.1 中結構為交通大學光電所李柏璁老師實驗 室所製備的系統[12] ，可作為太陽能電池中的光吸收層。此系統將矽奈米晶體嵌入

ZnO

圖 1.1 矽奈米晶體嵌入 ZnO 薄膜示意圖[12]

薄膜中，並增加

ZnO

薄膜在近紅外光波段與可見光波段對光吸收的範圍與強度，在太陽

能電池的應用有非常大的潛力，在我們的研究中以氫原子鈍化矽奈米晶體表面[13] 簡化

矽奈米晶體嵌入

ZnO

薄膜的系統，探討矽奈米晶體的電子結構和光學特性在太陽能電池

上的應用。

近二十年已有相當文獻透過不同的理論方法研究矽奈米晶體的電子結構與光學特性，

其中計算矽奈米晶體電子結構的理論方法有緊束縛理論(TB, tight-binding theory) [1317]、 密度泛函理論(DFT, density functional theory)[1821]，半經驗赝势法(EPP, empirical pseudo -potential) [2223]、k p 理論(k p theory)[24] 、擴散蒙地卡羅(DMC, diffusion monte carlo) [2526]等方法，而文獻中討論矽奈米晶體的光學所使用的理論方法有緊束縛理論(TB, tight-binding theory) [2733]、密度泛函理論(DFT, density functional theory) [3436]、時間密 度泛函理論(TDDFT, time dependent density functional theory) [3739] 、擴散蒙地卡羅 (DMC, diffusion monte carlo)[40] 。但密度泛函理論(DFT)、時間密度泛函理論(TDDFT)、擴 散蒙地卡羅(DMC)這些被認為計算電子結構較準確的方法卻因為計算量過於龐大只能計算 直徑小於 3nm 的矽奈米晶體，而k p 理論只適合計算較大尺度的矽奈米晶體。而緊束縛理 論為半經驗模擬計算方法可透過擬合(fit)實驗上材料能帶量測的結果或計算塊材電子結構 較準確的理論方法所得到的能帶結果得到緊束縛理論所需要的參數。此外緊束縛理論能補 足其他理論方法計算奈米晶體尺寸範圍上限制的缺點，計算矽奈米晶體大小可由直徑小於 1nm 至接近塊材尺度的奈米晶體電子結構且由擬合(fit)的參數能準確的計算出電子結構。

故在本論文中我們使用sp d s^{3 5}

*

第一近鄰緊束縛理論計算表面以氫原子鈍化的球狀矽奈米 晶體之電子結構(0.5nm-7.6nm)，再由矽奈米晶體波函數計算出吸收光譜並探討其光吸收特 性。

1.2 章節概要

在第一章介紹我們的研究動機與矽奈米晶體的應用。第二章我們推導緊束縛模型理 論(tight-binding theory)並說明如何應用在奈米晶體。第三章我們首先討論在緊束縛模型 如何考慮懸鍵表面鈍化與氫原子表面鈍化，接著在緊束縛模型原子軌域基底下，由費米 黃金定理(Fermi’s Golden Rule)推導出偶極矩陣元素(dipole moment matrix element)，並求 得奈米晶體的振子強度(Oscillator strength)、吸收光譜(absorption spectrum)理論形式。第 四章首先回顧氫表面鈍化矽奈米晶體程式與文獻的驗證，進而討論不同直徑大小矽奈米 晶體的電子結構、能隙與波函數，最後由矽奈米晶體波函數計算出光吸收振子強度。第 五章，則是做最後的結論以及本工作未來的展望。

在文檔中 氫表面鈍化矽奈米晶體之電子結構與光學特性 (頁 10-13)