热退火中硅纳米晶形成模拟研究

0 下载量 57 浏览量 更新于2024-08-27 收藏 204KB PDF 举报
"Modeling of silicon-nanocrystal formation in amorphous silicon/silicon dioxide multilayer structure" 本文深入探讨了在多层非晶硅/二氧化硅(a-Si/SiO2)结构中,纳米硅晶(Si-NCs)在热退火过程中的形成机制。研究基于吉布斯自由能变化的修改模型,该模型引入了平均有效界面自由能变化的概念,考虑了成核和随后生长的整体过程。 在a-Si/SiO2多层结构中,当进行热处理时,纳米硅晶的形成是一个复杂的过程。通过理论计算,研究人员发现存在一个硅层厚度的下限,只有当硅层厚度超过这个阈值时,才能在a-Si/SiO2多层结构中形成Si-NCs。这意味着,如果硅层太薄,将无法支持纳米晶的稳定存在。此外,计算结果显示,氧化物界面并不能限制Si-NCs的横向生长,这暗示了在纳米尺度上,晶粒可能会跨越界面扩展。 文章进一步对比了a-Si/SiO2和纯a-Si结构中纳米晶的形成情况。通常,二氧化硅的存在可以作为成核的促进剂,因为它可以提供一个不同的能量状态,有利于硅原子的聚集。在多层结构中,连续的a-Si和SiO2交替层可能为纳米晶的形成提供了更多的成核位点,增加了纳米晶的密度和均匀性。 在热退火过程中,硅原子会经历从非晶态到晶态的转变,形成纳米晶。这一转变是通过能量的最小化完成的,其中吉布斯自由能的变化起着关键作用。平均有效界面自由能变化的概念帮助理解了在这个过程中能量如何在不同相之间分布,以及为什么在特定条件下纳米晶能够稳定形成。 通过对整个形成过程的建模,研究者能够预测不同参数(如温度、硅层厚度、氧化物厚度等)对纳米晶尺寸、数量和分布的影响。这对于优化纳米晶硅基光电材料的性能,例如太阳能电池和光电子设备,具有重要的实际应用价值。 这项工作揭示了在a-Si/SiO2多层结构中纳米硅晶形成的物理机制,并提供了设计和控制这些纳米结构的理论基础。未来的研究可能聚焦于如何精确控制纳米晶的尺寸和排列,以实现更高效、更稳定的纳米晶硅器件。