作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 6 × 6硅纳米阵列器件的制备
(一)器件制造示意图
反应离子蚀刻
在涂有聚酰亚胺的二氧化硅/硅衬底上制作的器件照片和相应的器件截面放大图
含6 × 6硅纳米钯阵列的凸起聚酰亚胺薄膜的凸(顶)和凹(底)半球形扫描电镜图像
比例尺，0
5毫米
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abb0576 尽管硅的光子学应用由于其基本的光学带隙而被限制在可见光和部分近红外光谱范围内，但是硅在微电子工业中被广泛使用
因此，研究人员利用应变工程的最新进展来定制材料特性，包括光学带隙
在最近发表在《科学进展》上的一项研究中，阿吉特·K
Katiyar和大韩民国的一组电子工程和材料科学科学家报告了硅带隙中的应变诱导收缩
该工艺有助于硅纳米薄膜光电探测器(简称硅纳米光电探测器)超越基本极限的光敏化
该小组使用最大应变3机械拉伸硅纳米钯像素
5%以增强光响应性，并将硅吸收极限延长至1550纳米，适用于激光雷达传感器和自动驾驶过程中的障碍物检测
然后，他们开发了一种可变形的三维光电框架，该框架具有凹凸半球结构，用于显示广角光探测的电子原型，由昆虫的生物眼睛进行生物感应
光电器件 低成本的柔性和可弯曲的光电器件，包括生物感应成像系统、光电探测器和光电池，可以在室温下在近红外波长下工作
激光雷达传感器和自动驾驶车辆对能够探测1300至2000纳米的短波长红外(SWIR)光谱范围的光电探测器的需求很高
激光雷达设备可以自动观察周围360度的物体，作为无人驾驶汽车的眼睛
由于紫外-近红外波长的高功率光会损伤人眼的视网膜，所以SWIR光是激光雷达系统的基础
理论上的主张表明，硅的能带结构可以在压缩或拉伸应变的影响下发生实质性的改变；因此，材料科学家在各种光子应用中使用硅作为基本构件
例如，减小的光学带隙可以捕获能量小于硅的基本带隙的光子，以增加载流子迁移率
Katiyar等人
因此在硅晶格上施加双轴拉伸应变，并报告它们的光响应远远超过材料的光学带隙极限
在20微米上用20微米尺寸的10纳米厚硅纳米线制作的单个微机械器件的应变和光电探测特性及电子能带结构的理论计算
10纳米厚的硅纳米样品的拉曼光谱随着压力的增加而记录
光谱显示拉曼散射强度增强，峰值位置随压力增加向低波数侧移动
a
u
，任意单位
(二)断裂前通过胀形过程在不同厚度硅纳米材料中施加的最大双轴应变值
插图显示了断裂前(左下角)和断裂后(右上角)的硅纳米线
10纳米厚硅纳米的应变相关电子能带结构，外加双轴应变高达4%
(四)用于理论计算的10纳米厚硅纳米的原子排列示意图
从10纳米厚的硅纳米样品在增加的双轴拉伸应变下的计算能带图中提取的不同跃迁的带隙值
学分:科学进步，doi: 10
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abb0576 开发和表征SWIR成像设备 为了证明SWIR成像能力，该团队在一个薄聚合物基底上的超薄硅纳米膜上制作了金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器阵列
该装置帮助他们实现了成像技术，如激光雷达传感器和生物探测成像系统
科学家使用光刻法对目标光电二极管阵列矩阵进行构图，并将构建物转移到聚酰亚胺膜上，并增加样品架空腔内的压力，使聚酰亚胺膜膨胀并形成凸形和凹形几何形状，同时保持制造的阵列
然后，他们使用拉曼光谱测量了不同厚度的硅纳米膜样品的最大应变值
Katiyar等人
计算了10纳米厚的硅纳米膜样品在不同的双轴应变值(0-4 %)下的能带图，以了解带隙减小在SWIR光探测中的作用
制备的局部放电阵列的应变诱导光响应和成像特性
(一)6 × 6硅纳米局部放电阵列装置的照片，该装置安装在压力增加的凸起测试装置上(比例尺，1毫米)
照片信用:阿吉特K
延世大学卡蒂亚尔
在405-1550纳米不同波长的入射光下测量的单个10纳米厚硅纳米器件的应变相关瞬态光响应
该图揭示了在施加的应变下10纳米厚的硅纳米器件在硅光吸收波长范围(400至1100纳米)之外的光敏能力
在3以上的1550纳米光下，可以看到清晰的光响应开/关
5%施加的双轴应变
硅纳米钯阵列装置的数码照片，在用不同波长的光成像期间拍摄(比例尺，3毫米)
照片信用:阿吉特K
延世大学卡蒂亚尔
(四)不同波长入射光下记录的相应光电流图
学分:科学进步，doi: 10
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abb0576 硅纳米薄膜光电探测器的工作原理 科学家们用一个10纳米厚的硅纳米膜设计的单一金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器检测了应变诱导的光敏可调性。
他们计算了在不断增加的应变下每个波长的光响应
该结果导致了这样的假设，即增加的光响应性是在提高的应变下增强的光吸收和光诱导的电荷载流子迁移率的综合作用的结果
理论上，应变可以显著影响电荷载流子的迁移率，因此，随着双轴应变应用的增加，多晶硅器件显示出超过硅的基本光吸收极限(约1100纳米)的光敏能力
6 × 6硅纳米局部放电阵列光学成像系统及物体图像综述
(一)用于字母Y成像的整体成像系统和光学设置的示意图，包含准直光源、阴影掩膜和设备阵列
(二)Y字母成像示意图放大图
(3)在1310纳米的入射光下记录的具有代表性的字母的光电流映射图像，具有增加的应变压力
光电流随着施加压力的增加而增加是明显的，这是每个硅纳米像素中应变增加的结果
(四)凸半球几何下制作的局部放电像素阵列的摄影图像和相应的采集映射图像
激光从局部放电阵列两侧的法线以大约20°的入射角投射
照片信用:阿吉特K
延世大学卡蒂亚尔
学分:科学进步，doi: 10
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abb0576 Katiyar等人
然后监测在增加的应变下，在SWIR波长范围内硅的光电探测的应变诱导的可调谐性
为了实现这一点，他们通过施加应变来改变硅晶体的晶格间距，以改变或减少其在SWIR区域的光学吸收的能带结构
在确认了具有代表性的单硅微机电系统器件的SWIR光敏特性后，他们将其应变诱导SWIR成像扩展到一个6×6硅纳米凸凹结构的局部放电阵列原型
演示应变诱导调谐和生物感应凸形和凹形架构 为了证明应变诱导调谐及其对光敏的影响
记录了字母“Y”的光电流图案，该图案首先以荫罩的形式制作在玻璃衬底上
在达到大约1的应变水平后
8%，他们记录了明显的光电流，在1310纳米的SWIR光下清晰成像
随着凸起测试腔中的应变压力增加，每个光电二极管像素中的应变也增加，最终增加光电流的级数，以实现最大应变为3的图像
5%
利用压力诱导膨胀的方法，研究小组实现了硅纳米粒子像素阵列的凸半球结构，这种像素阵列也是昆虫复眼进行广角光检测的生物传感器
电影剪辑显示实时成像的“Y”形与1310纳米光投射到硅纳米局部放电阵列系统受到不同的应变水平
左面板显示了使用通过DAQ单元从每个局部放电像素收集的输出数据生成的归一化彩色编码标度的实时光电流图
右图显示了测量系统，包括安装在凸起测试装置上的局部放电阵列设备、光纤引导的1310纳米激光和用于观察入射激光脉冲的红外卡
可以清楚地注意到，当局部放电像素处于零应变水平时，它们没有光响应
当光暴露在受到约3的最大双轴应变的局部放电阵列上时
5%，可以实现代表“Y”形的清晰开关
照片信用:阿吉特K
延世大学卡蒂亚尔
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abb0576 该团队以类似的方式逆向设计光电二极管像素阵列，以产生一个凹面结构
具有倒置半球几何形状的局部放电像素的凹面排列模仿了哺乳动物眼睛的凹面焦平面
使用凹面设置，研究小组在1310纳米的光照和不同的应变压力下对字母“Y”进行了类似的应变驱动成像
接下来，研究小组用平面和凹面架构下的光电二极管矩阵阵列记录了字母“I”的光电流模式，以了解凹面在成像方面的优势，并注意到凹透镜提供了字母“I”的均匀和更清晰的表示
就这样，阿吉特K
Katiyar和他的同事展示了硅在经受双轴拉伸应变后，光响应和SWIR(短波长红外)感光能力的改善
他们创建了一个平台，使用薄的硅纳米膜在凸起装置上机械拉伸来引入张力
他们通过应用双轴应变来检测超出材料基本光吸收极限的入射光子，从而降低了硅的光带隙
该团队使用6×6矩阵金属-半导体-金属光电二极管阵列和SWIR光展示了成像能力
研究人员随后利用半球形的凸形和凹形构造了模拟生物眼睛的几何形状
这项工作使得硅中的SWIR传感通过应变工程在硅基图像传感器和光伏领域有着广阔的应用前景
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