Beoordeel toepassing van nanogestructureerd zwart silicium

Toepassing van zwart silicium

Fotodiodes

Zwart silicium kan worden gebruikt in traditionele junction-fotodetectorarchitectuur. De gemeten kwantumefficiëntie in de buurt van het infrarode golflengtespectrum is meer dan 10x gebruikelijk dan traditionele siliciumfotodetectoren, en de eerste heeft geen significante verslechtering in termen van ruis en andere parameters voor detectoren. Met een hoge absorptie in het breedbandige optische spectrum, zijn door verschillende groepen zwarte siliciumfotodiodes met een hoge responsiviteit gerealiseerd [1, 10,11,12,13].

C. Wu vervaardigde een microgestructureerde APD met zwart silicium, die wordt geproduceerd door een siliciumwafel met een (111) oriëntatie te bestralen met een fs-laser op 800 nm middengolflengte en 100 pulsen in SF₆ [1]. Zoals getoond in figuur 1e, is de productie van fotodragers gegenereerd uit het microgestructureerde gebied onder een voorspanning van 900 V of groter ten minste drie keer zo groot als die uit het ongestructureerde gebied, zowel bij 1.064 als 1.310 μm. Door fs-laserbestraling te gebruiken in een atmosfeer van zwavelhoudend, fabriceerde James E. Carey de op silicium gebaseerde fotodiodes met hoge responsiviteit voor het detecteren van het zichtbare en nabij-infrarode lichtsignaal [11]. De fotostroom- en responsiviteitsprestaties van fotodiodes zijn sterk afhankelijk van de verwerkingsomstandigheden, zoals substraatdoteringsmiddelen, laserfluïdum, thermische uitgloeitijd en temperatuur. De meetresultaten worden getoond in Fig. 1f en Fig. 2a, b.

een Fotoresponsiviteit met verschillende gloeitemperatuur voor elk monster is 30 min. b Fotoresponsiviteit met verschillende laserinvloeden. c Kwantumefficiëntie hangt af van de golflengte voor de APD die de microgestructureerde en ongestructureerde regio's omvat. d De stroom-spanningskarakteristieken van een microgestructureerde zwarte siliciumfotodetector met een diameter van 100 μm [12]. e Huidige ruisvermogensdichtheid versus fotostroom onder toegepaste sperspanning van 3 V. f Responsiviteit voor een zwart siliciumapparaat met een diameter van 250 μm onder toegepaste omgekeerde voorspanning van 0, 1, 2 en 3 V [12]

Geoptimaliseerde zwarte siliciummonsters vertonen een hoge responsiviteit die bijna twee tot vijf orden van grootte hoger is dan die van de commerciële siliciumfotodiodes in de zichtbare en nabij-infrarode golflengte. Door geoptimaliseerde laserparameter te gebruiken, wijzigde R. Torresa de voorkant van zwarte siliciummonsters en creëerde de 3D p ⁺ junctie met behulp van plasma-immersie-ionenimplantatietechniek om boorimplantatie te bereiken [12]. Vergeleken met het niet-getexturiseerde oppervlak, is aangetoond dat de getextureerde apparaten een toename van 57% van de fotostroom vertonen. De traditionele silicium PIN-fotodiodes vertonen een slecht absorberend vermogen voor licht boven 1,1 μm. Daarom kunnen ze niet worden gebruikt om de twee primaire telecommunicatiegolflengten, 1,3 en 1,55 μm, te detecteren. Volgens Aoife M. Moloney werd vastgesteld dat er een buitensporige toename van 50% in responsiviteit bestond in het zwarte siliciumoppervlak bij 1,1 μm of lange golflengten [13]. Ondertussen is de drempelspanning van zwarte siliciumfotodiodes lager dan die van de standaard op silicium gebaseerde diodes. Het bestaan ​​van een tweede fotodiodeovergang gevormd tussen het zwarte siliciumoppervlak en het siliciumsubstraat leverde een belangrijke bijdrage aan de lagere drempelspanning.

Verder rapporteerde Richard A. Myers de lasermicrostructurering van op silicium gebaseerde APD's en APD-arrays [5]. Een reeks voorgestructureerde fabricageprocessen, waaronder diepe diffusie van boor in een diffusieoven op hoge temperatuur, werden gebruikt om een ​​50 ~ 60 m pn-overgang onder de uiteindelijke ~ -250 μm dikke apparaatstructuur te verkrijgen. Na uitgloeien is de responsiviteit van een voorgestructureerd apparaat twee tot drie keer hoger dan de ongestructureerde op silicium gebaseerde APD's bij nabij-infrarode golflengten. Verder is er geen degradatie waargenomen van andere prestatiekenmerken. Ze toonden ook aan dat de verhoogde responsiviteit bij nabij-infrarode golflengten te danken zou kunnen zijn aan de atmosfeer (beste in SF₆ ) en gloeien. Maar de vermindering van kwantumefficiëntie (QE), vooral bij golflengten onder 900 nm, kan worden verminderd met extra gloeien bij hoge temperatuur, zoals weergegeven in figuur 2c.

P. Agarwal et al. demonstreerde een zeer reproduceerbare ingebedde silicium nanodraad pn-junctiediodes, die zijn vervaardigd door een volledig VLSI-compatibele etstechnologie om de diameters onder 30 nm te bereiken [14]. Toegepast met omgekeerde voorspanning, vertonen de heterojunctiediodes een sterke relatie tussen de diameter en de doorslagspanning, die mogelijk het gevolg is van de omringende diëlektrische invloed, zoals getoond in Fig. 5b, ca.

Fotodetectoren

Het wijdverbreide gebruik van silicium in de halfgeleiderindustrieën zorgt voor een grote belangstelling voor het verbeteren van de responsiviteit van op silicium gebaseerde fotodetectoren in het infraroodgebied. Zwart silicium stelt ons in staat om fotodetectorapparaten te fabriceren op basis van silicium voor zowel de zichtbare als nabij-infrarode golflengten dankzij de hoge absorptie in het bereik van 250 tot 2500 nm [15]. De spectrale responsiviteit voor sommige zwarte siliciumapparaten is bijna tien keer groter dan die van commerciële PIN-fotodiodes op basis van siliciummaterialen zoals gebruikt in het zichtbare licht.

De responsiviteit van zwarte siliciumdetectoren is onderzocht door verschillende teams met verschillende factoren, waaronder gloeitemperatuur, doteerstoffen en achtergrondgassen. J.E. Carey maakte op silicium gebaseerde fotodiodes met behulp van fs-laserbestraald zwart silicium [16]. De gevoeligheid van een zwarte siliciumdetector is tien keer zo groot als die van commerciële PIN-fotodiodes op basis van silicium op zichtbare golflengten en golflengten van 1650 nm. Volgens Richard A. Myers werd de responsiviteit van microgestructureerde silicium APD-detectoren die onder verschillende omstandigheden werden uitgegloeid, verbeterd bij bijna-IR-golflengten [5]. Met verschillende achtergrondgassen toonden de resultaten aan dat zwart silicium verwerkt in een zwavelatmosfeer de hoogst mogelijke QE vertoonde na uitgloeien. Er is ook aangetoond dat de verbeterde responsiviteit van microgestructureerde APD-detectoren bij lange golflengte het gevolg is van de verbeterde absorptie en niets te maken heeft met de extra energiebanden die worden gecreëerd tijdens laserverwerking.

Naarmate de totale absorptie toenam, werd de afname van de respons op kortegolfstraling waargenomen in de detector, wat aangeeft dat de meeste ladingsdragers uit het diepere gebied werden verzameld, maar niet uit het nabije oppervlak. Nabewerkt met thermisch uitgloeien, werden de QE's van gefabriceerde APD-arrays bij 1064 nm verkregen tot 58% zonder enige verslechtering van ruis, versterking of andere elektrische prestaties. Deze experimentele resultaten toonden ook aan dat de verhoogde absorptie bij bijna-IR een belangrijke bijdrage leverde aan de verbeterde verzameling van ladingsdragers.

Met fs laser-gemodificeerd silicium in SF₆ gas, vertoonden de fotodetectoren gemeten bij een bias van 3 V een hoge fotorespons van respectievelijk 92 A/W bij 850 nm en 119 A/W bij 960 nm [17]. De microgestructureerde siliciumfotodetectoren vertoonden nog steeds een sterke fotorespons, zelfs als de golflengten langer zijn dan 1,1 μm. De fotorespons van deze detectoren kan worden verklaard door een generatie-recombinatie versterkingsmechanisme. De versterking berekend op basis van de gemeten resultaten van de ruisstroomdichtheid was ongeveer 1200 bij een bias van 3 V. De resultaten van Hall-metingen van de oppervlaktelaag toonden aan dat de elektronenconcentratie van het microgestructureerde gebied hoger was dan die van het substraat, en de elektronenmobiliteit was in de orde van 100 cm ² V ^− 1 s ⁻¹ , zoals weergegeven in Fig. 2d. Volgens figuur 2d waren de donkere stromen bij de sperspanningen van 1 en 3 V respectievelijk 1,3 en 2,3 A voor een apparaat met een diameter van 100 μm. De waarden waren een orde van grootte lager dan de donkerstroom gemeten bij voorwaartse voorspanning onder dezelfde spanningen. Terwijl de fotostroom toeneemt, neemt de ruisvermogensdichtheid lineair toe, zoals weergegeven in figuur 2e [17].

Figuur 2f toont de responsiviteit versus de golflengte van 0,60 tot 1,30 μm bij 0, 1, 2 en 3 V omgekeerde bias [17]. Het is duidelijk dat de responsiviteit van zwart silicium verandert met de golflengte als enkele bult, evenals de QE met golflengte (getoond in Fig. 3a [18]). M. U. Pralle meldde dat SiOnyx, Inc. een nieuwe siliciumverwerkingstechnologie heeft gebruikt voor CMOS-sensoren [18]. De techniek zou de spectrale gevoeligheid van traditionele op silicium gebaseerde detectoren uitbreiden naar het nabije/kortegolf-infrarood (NIR/SWIR), waardoor een opwindende prestatie wordt geleverd voor digitale nachtzichtmogelijkheden. De QE van dunne laag is 10 keer zo groot als die van bestaande beeldsensoren wanneer de spectrale gevoeligheid werd gemeten van 400 tot 1200 nm. In de zwarte silicium-CMOS is het kwantumrendement bij 940 nm 68%, de donkerstroom bij een voorspanning van 10 mV is 140 pA/cm ² , en de reactietijd is 10 ns.

een EQE-prestaties voor een zwarte siliciumfotodiode (rood) gemeten in fotovoltaïsche modus en de commerciële CCD-beeldsensor (blauw) [17]. b IQE en c R-metingen voor vlakke zonnecellen op basis van silicium en zonnecellen van zwart silicium. d De stroom-spanningscurves van de conventionele zonnecel en zwarte silicium zonnecel gemaakt van de SiNW-arrays [23]. e Stroom-spanningsprestaties voor gevarieerde potentiaalverschillen. Hier is de afstand tussen anode-kathode 20 μm [36]. v Emissiviteit versus golflengte gegeven verschillende brontemperaturen van zwarte lichamen [37]

Het chalcogeen in omgevingsgas wordt geïmplanteerd en opgenomen in het gevormde siliciumoppervlak in grote concentraties, wat de fotoresponsiviteit efficiënt beïnvloedt [18]. In het geval van SF₆ , is het opnemen van een zwaveldonor enorm belangrijk om de hoge fotoresponsiviteit te bereiken. Het is gebleken dat de apparaten met selenium- en telluriumopname ook de hoge fotoresponsiviteit krijgen. Andere gassen zoals lucht, stikstof en waterstof worden echter in het siliciumoppervlak geïmplanteerd en de apparaten reageren slecht.

James E. Carey rapporteerde de toepassing van zwart silicium in IR-sensoren [19]. Zwart silicium vertoont een efficiënte en hoge fotogeleidende versterking bij kamertemperatuur, met responsiviteiten tot meer dan 100 A/W bij NIR. Het kan niet alleen de reflectie van silicium drastisch verminderen om veel licht te absorberen in het NIR- en SWIR-gebied, maar het zorgt er ook voor dat detectoren een hoge fotorespons vertonen van 1000 tot 1200 nm. En de responsiviteit is 100 keer hoger dan die van commerciële germanium- of InGaAs-detectoren. M.G. Tanner et al. vervaardigde de verpakte NbTiN SNSPD's (supergeleidende nanodraad-single-photon-detectoren) op basis van geoxideerde siliciumsubstraten onder de werkgolflengten variërend van 830 tot 1700 nm [20]. Deze optische architectuur kan worden geoptimaliseerd voor het detecteren van signalen met een ander belangrijk golflengtegebied, zoals 1550 nm.

Zonnecellen

Het unieke lichtvangende effect van micro-getextureerde oppervlaktemorfologie verbetert de zichtbare absorptie van silicium aanzienlijk, waardoor het goed wordt gebruikt in Vis-NIR-fotodetectie, evenals in zonnecellen. Door fs-laser te gebruiken zonder een corrosief gas (onder vacuüm), bereidde M. Halbwax micro- en nanogestructureerd silicium voor fotovoltaïsche cellen met verschillende nanotexturisatiemethoden [21]. En de resultaten tonen aan dat de fotostroom een ​​toename van ~  30% te danken heeft in de met laser gemodificeerde gebieden. In deze studie wordt een fotovoltaïsche structuur gemaakt door een fs-laser te gebruiken om een ​​siliciumwafel te verlichten om lokaal nanogestructureerd bos te verkrijgen (vierkanten van 1 mm ² ). Na de laserstructurering zijn de monsters geïmplanteerd door een boorelement met behulp van Plasma Immersion Technique (PULSION-tool, ontwikkeld door IBS) om een ​​pn-overgang te vormen, gevolgd door snelle thermische annealing (RTA) -verwerking. De absorptie van een gestructureerde siliciumwafel met spikes bereikt 94%, wat veel hoger is dan die van andere structuren zoals pinguïnachtige pilaren en piramides, zelfs de absorptie van een platte siliciumwafel is slechts 65%. Een gemiddelde fotostroom van het ongewijzigde siliciummonster is in de orde van 15 nA of zelfs kleiner. De fotostroom van het behandelde siliciummonster ligt echter in het bereik van 19 tot 21 nA, wat wijst op een verbetering van 25-30% in de fotostroom. Er zijn verschillende factoren die de interne kwantumefficiëntie (IQE) van een cel op basis van zwart silicium beïnvloeden. Volgens M. Halbwax worden de IQE-prestaties van zonnecellen met lasertextuur niet alleen beperkt door de niet-geoptimaliseerde reflectie, maar ook door de oppervlakterecombinatie [21]. En dat laatste wordt belangrijk door het grote oppervlak. Dit fenomeen komt ook voor in andere gerapporteerde artikelen [22, 23]. Zoals getoond in Fig. 3, werden volgens Hao-Chih Yuan de resultaten die door de IQE werden aangetoond significant beïnvloed door etstijden [24]. Ze fabriceerden zonnecellen op basis van respectievelijk enkelzijdige zwarte siliciumwafels en dubbelzijdig gepolijste vlakke Si-wafels. Vervolgens werden de praktische standaardprocessen gebruikt om een ​​fosfor-diffuse voorzijde-emitter en een aluminium-achteroppervlakveld (Al-BSF) te produceren. Met de toegenomen etstijd van zwart silicium neemt de IQE aanzienlijk af bij korte golflengten. Dit fenomeen is voornamelijk te wijten aan het hoge doteringseffect en het oppervlakterecombinatiemechanisme dat bestond in de nanogestructureerde oppervlaktelaag met dichtheidsgraden.

Hao-Chih Yuan vergeleek ook de IQE en reflectiviteit van de zwarte Si en onbehandelde vlakke cellen [24]. Zoals weergegeven in figuur 3c, is de reflectiviteit nog steeds minder dan 5% van 350 tot 1000 nm na verwijdering van PSG na POCl₃ diffusie en afwerking thermische oxidatie van de nanoporeuze laag [25]. De IQE-resultaten onthullen het belangrijkste probleem bij het verbeteren van de hoge efficiëntie van zonnecellen van zwart silicium, namelijk de opmerkelijke vermindering van IQE die bestaat bij korte golflengten. De vermindering kan worden toegeschreven aan een ontoereikende oppervlaktepassivering die aanwezig is in het vooroppervlak van de nanoporeuze laag. De fotostroom en fotostroomdichtheid van zonnecellen op basis van zwarte silicium zijn aanzienlijk verbeterd in vergelijking met traditionele zonnecellen van silicium. Hao-Chih Yuan toonde een toename van meer dan 35% in kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) en conversie-efficiëntie van 16,8% over een vlakke Si-zonnecel zonder antireflectie [24]. Zoals getoond in Fig. 3d, fabriceerde Sanjay K. Srivastava ook zwarte silicium zonnecellen met het type n ⁺ -p-p ⁺ structuur en vergeleek de prestaties van silicium nanodraadarrays (op SiNW gebaseerd zwart silicium) met conventionele controlezonnecellen [25, 26].

T. Sarnet fabriceerde fotovoltaïsche cellen met zwart silicium [27]. De substraten die ze gebruikten zijn n-type met silicium gedoteerde fosfor tot 10 ¹⁵ cm ^− 3 (5–20 ·cm) en diffuus met fosfor uit een POCl₃ bron. De diffuse achterkant is een n ⁺ laag, die nuttig zou kunnen zijn om een ​​back ohms contact te vormen tussen het gestructureerde gebied en de substraatinterface. Na behandeling met fs-laser werden boriumdoteringsmiddelen in het vooroppervlak geïmplanteerd door middel van plasma-immersie (BF₃ ) bron en vervolgens gevolgd door RTA-gloeien. Met nano-oppervlaktestructuur en p ⁺ /n/n ⁺ apparaatstructuur, de optische absorptie bereikt 96% en de fotostroom heeft een verbetering van 40% bereikt met behulp van de laserbehandeling gevolgd door de traditionele dopingtechniek. De verbetering van de fotostroom is tot 60% wanneer de apparaten worden vervaardigd door de laserbehandeling te verbinden met de plasma-ion-immersietechniek in de fotovoltaïsche cellen.

Lu Hu en Gang Chen simuleerden de optische absorptie voor het model van periodieke nanodraadstructuren [28]. De resultaten van de berekening laten zien dat de Maxwell-Garnett-benadering niet geschikt is voor de elektromagnetische interactie tussen elke nanodraad. De optische absorptie in het hoogfrequente regime kan duidelijk worden verbeterd door de reflectie van de nanodraadstructuren te verminderen. Maar in het laagfrequente regime is geen verbetering waargenomen vanwege de kleine extinctiecoëfficiënt van silicium.

Wei Wang et al. stelde een nieuw silicium zonnecelontwerp voor met een ingebedde metalen nanograting dunne film [29]. Met een dun metalen nanorooster zou een verbetering van polarisatie-ongevoelige absorptie kunnen worden bereikt met een vergelijkbare absorptie bij korte golflengten. Erik Garnett en Peidong Yang vervaardigden de radiale pn-junctie van silicium nanodraden met een groot oppervlak voor fotovoltaïsche apparaten met een efficiëntie tot 5%, waarvan de kortsluitfotostromen hoger zijn dan die van andere vlakke controlemonsters [30]. Aangezien er variaties zijn in de dikte van de siliciumfilm en de lengte van de nanodraad, lijkt het erop dat er een competitie bestaat tussen de verbeterde absorptie en de verhoogde oppervlakterecombinatie. De resultaten toonden aan dat wanneer nanodraadarrays werden gemaakt van 8 μm dikke siliciumfilms, de verbeterde absorptie zou kunnen domineren over de verhoogde oppervlakterecombinatie, zelfs zonder oppervlaktepassivering. Ondertussen zijn de microstructuur en oppervlaktechemie van nanoporeuze zwarte siliciumlaagtechnieken in detail bestudeerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) door Yanfa Yan [31]. De resultaten tonen aan dat het ruwe grensvlak van c-Si/suboxide zich op de nanometerschaal bevindt, die ook een massa puntdefecten bevat. Fatima Toor et al. gefabriceerde p-type zwarte silicium zonnecellen met een conversie-efficiëntie van 17,1%, en ze analyseerden ook de prestaties van de optische en ladingsdragerverzameling van een meerschalig getextureerd oppervlak [32]. Ze toonden aan dat de spectrale respons bij korte golflengten zou worden verbeterd naarmate de dikte van nanogestructureerd silicium werd verminderd. Terwijl de nanogestructureerde laagdikte met 60% wordt verminderd, behoudt de gemiddelde reflectie van zwart silicium in het zonnecelspectrum minder dan 2%. En de spectrale respons was verbeterd van 57 naar 71% bij 450 nm.

Behalve voor de toepassing op zonnecellen, maakt de fotorespons van zwart silicium in de regio van 1 tot 1,2 μm het ook toegepast als digitale nachtkijker, plastic sortering voor recycling en niet-invasieve bloedchemie-monitoring [33]. G. Scotti fabriceerde een microbrandstofcel (MFC) die de waterstofbrandstof en een polymeerelektrolyt combineert voor een protonenuitwisselingsmembraan [34]. In deze MFC kan met behulp van een geschikte structuur, stroomcollector, stromingsveld en gasdiffusielaag geïntegreerd op één chip worden gerealiseerd met zwart silicium (geëtst in hooggeleidend silicium). Onder toegepaste voorspanning van 0,7 V vertoont de MFC veelbelovende prestaties:70 mW/cm ² vermogensdichtheid en 100 mA cm ² huidige dichtheid. De resultaten zijn vergelijkbaar met die van andere vergelijkbare monolithische apparaten die in de literatuur worden vermeld.

De eigenschappen van zwart silicium maken microgestructureerd silicium beschikbaar voor breed gebruik in commerciële apparaten, niet alleen in zonnecellen, infraroodfotodetectoren, maar ook in chemische en biologische sensoren, evenals in veldemissieapparaten.

Veldemissie

Het snelgroeiende gebied van veldemissie-apparaten drijft de onderzoeken aan om unieke emitterende materialen te vinden, die robuust, gemakkelijk te fabriceren en gunstiger emissie moeten zijn. Vanwege de lage kosten en de rijke inhoud is het gebruik van siliciumapparaten als zenders aantrekkelijker en beschikbaar.

Naast de bevredigende optische eigenschappen, vertoont het microgestructureerde silicium ook significante veldemissie-eigenschappen. James E. Carey rapporteerde het mogelijke gebruik van zwarte siliciumstructuren in veldemissiedisplays, voortstuwing van ionenstuwers en microgolfversterking [35]. De zwarte siliciumstructuur als emitter toont de lage inschakelvelden en hoge stroomopbrengsten, die belangrijke parameters zijn van veldemissie-apparaten. De relatie tussen stroom en spanning voor het beschrijven van potentiaalverschillen wordt getoond in Fig. 3e [36]. Analyse van de arrays laat zien dat het hoge, stabiele veld 1,3 V/μm is. Ondertussen kunnen deze potentiaalverschillen een emissiestroomdichtheid van 1 nA/mm ² . veroorzaken . Met fs laserbestraling zwart silicium verkregen ze emissiestromen tot 0,5 mA/mm ² onder een toegepast veld van 50 V/μm. Het resultaat toont ook het lage inschakelveld en de hoge stroomopbrengst van zwart silicium aan. Zoals te zien is in figuur 3f, neemt volgens Patrick G. Maloney, als de microstructuur van zwart silicium verandert met de gloeitemperatuur, ook de emissiviteit van zwart silicium af [37].

P. Hoyer rapporteerde een studie van zwart silicium als emitter van terahertzstraling [38]. Door de structuur van zwart silicium bestaan ​​er meerdere reflecties voor invallend licht, wat leidt tot een verbetering van de absorptie in nanoscopische naalden. De naalden zijn onderling verbonden door het bulkmateriaal en beperken de ladingsdragers om te scheiden, wat zou resulteren in grote veranderingen van de lokale potentiaalverschillen. Terahertz elektrisch veld voor verschillende oppervlaktekwaliteiten wordt getoond in Fig. 4a [38].

een Terahertz elektrisch veld voor verschillende siliciummonsters:zwart silicium, beschadigd oppervlak, ongepolijst siliciumoppervlak en gepolijst siliciumoppervlak [38]. b–d PL-spectra van zwart silicium met verschillende temperatuur, laserintensiteit en golflengte [3]

Luminescentie

X. Li bereikte intense luminescentie met poreus silicium (PSi) met nanodeeltjes Au/Pt (afgezet op siliciumtempels met een dunne laag (d) < 10 nm)) vervaardigd door middel van geassisteerd chemisch etsen (EtOH:HF (49%):H₂ O₂ (30%) = 1:1:1) in oplossing van HF en H₂ O₂ [39]. De resultaten toonden aan dat het door Pt gemodificeerde PSi-apparaat de snelste etssnelheid oplevert en de meest intense luminescentie produceert dan dat gemodificeerd door Au. Ali Serpengüzel also reported the photoluminescence (PL) of black silicon samples fabricated by a series of intense and short laser pulses in air [3]. The micro-structured surface of irradiated layer is covered with dendritic nanostructures in the size range from 10 to 100 nm, which will disappear after thermal annealing. As shown in Fig. 4b, the PL spectra of the black silicon measured in the visible light and different annealing temperature excited by a constant laser intensity of 0.1 W cm ^− 2 [3]. And the laser intensity is increased as the PL intensity increases, as displayed in Fig. 4c.

C. Wu observes photoluminescence from SiO _x formed by laser-structured silicon surfaces in air [38]. PL spectrum just appears at reverse with wavelength (peak value is reached at long wavelength.). As shown in Fig. 4d, the PL intensity increases sub-linearly (i.e., γ  = 0.44) as the excitation laser intensity enlarges. Generally speaking, the value of coefficient γ ranges from 1 to 2 for exciton emission as the excitation energies of photon laser exceed the bandgap of silicon. Moreover, γ  ≤ 1 stands for being free-bound or bound-bound state recombination. There are bound-bound emission in black silicon through band-tail states recombination for the evidence of γ  = 0.44 at 10 K.

The relationship between PL intensity and different wavelengths at 10 K is plotted in the Fig. 4c. The results are almost the same as Ali Serpengüzel’s previous study:the variation of photoluminescence with respect to different temperatures in black silicon, as shown in Fig. 4b [3]. The PL intensity decreases as the temperature increases, indicating that a quenching process occurs via radiative recombination (reflected by the large-rate decrease of PL intensity above 120 K). The thermal quenching process, which occurs in the band-tail states (such as impurities and structural defects) of black silicon, has a relationship to the mobility.

G. Kurumurthy also studied the photoluminescence of silicon nanoparticles, fabricated by laser irradiation [40]. The variation of particle size is owing to the irradiation wavelength. They exposed the freshly prepared silicon nanoparticles to air for few days, then observed the PL intensity enhanced and saturated. For the case of exposure to air within 1 h, the PL spectrum of the freshly fabricated samples exhibits two well resolved peaks of ~ 435 and 441 nm, even the measurement is undergoing the constant exposure to the emission of broadening spectrum.

Surface-Enhanced Raman Spectra (SERS)

Jorg Hubner fabricated an integrated spectrometer device by using epoxy resist (SU-8) on black silicon as Raman spectroscopy and coupling a charge-coupled device (CCD) element [41]. They prepared the black silicon with two methods:(1) an aqueous suspension of gold nanoparticles and polystyrene beads was used to deposit a gold layer on silicon surface, and (2) gold ion were used as the coated catalyst to create the random silicon nanostructures. By using the on-chip spectrometer, they have recorded surface-enhanced Raman spectra of Nileblue and Rhodamin 6G, respectively. As shown in Fig. 5a, the surface Raman spectra recorded by an on-chip spectrometer show that the black silicon integrated system is suitable for Raman sensors. They are low cost and possible to be applied in security monitoring and other “point of care” devices.

een The SERS spectra recorded at low resolution. b The current-voltage characteristics at reverse bias for the various diameters of diodes. c The measured (dots) and calculated (lines) breakdown voltages of different nanowire diameters. d Spikes’ density (empty dots) and the static water contact angle θ (full dots) versus fs laser irradiation fluence

A Hydrophobic Surface

The silicon surface, structured on the micrometer and nanometer scale by fs laser irradiation, exhibited the evident hydrophobic property, as reported by V Zorba [42]. The wettability properties are controlled by a systematic and reproducible variation of the surface roughness, namely the construction of geometrical structure [43]. They varied the laser fluence to obtain the particular hydrophobic surface. Such behavior is called heterogeneous wettability, replaced with another way that air is partially trapped underneath the liquid, which is incomplete penetration within the silicon features. As shown in Fig. 5d, the contact angle of black silicon water increased from 66°to 130°or larger [42].

Later Jia Zhu fabricated the black silicon-based nanodome solar cells with self-cleaning function [44]. The phenomenon is similar to the lotus leaf, which consists of micro-structures and randomly distributed branch-like nanostructures [45]. They modified the black silicon surface with hydrophobic molecules; thus, the nanodome solar cells obtained the self-cleaning function via superhydrophobicity due to the particular morphology. Once black silicon materials are used on solar cells or photovoltaic detectors, dust particles accumulating on the device architectures will seriously imprison sunlight and eventually, leading to the reduction of device efficiency and device life. The devices with self-cleaning function can easily avoid the abovementioned problem.