第34卷，第4期 2014年4月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 34,No. 4 -pp910-914
April;2014
基于第一性原理计算的掺杂柔性黑硅吸收光谱特性分析
韦玮，2，朱永”，林成”，田莉，许祖稳”，农金鹏
1.光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044 2.重庆大学光电工程学院，重庆400044
摘要针对宽波段微型光谱仪缺乏宽波段柔性探测器这一难题，提出了一种在紫外-可见-近红外波段内具有高吸收效率的掺杂柔性黑硅作为探测器吸光材料。首先，基于第一性原理计算了S和F元素掺杂后柔性黑硅的电子结构、能带结构和紫外-可见-近红外波段的光学吸收特性，得到了不同元系及浓度接杂时，案性黑硅的光学吸收系数。其次，将第一性原理计算结果与时域有限差分算法相结合，建立了柔性黑硅的吸收光谱模型。结果表明，掺人S和F元素后柔性黑硅的能带带隙均减小，吸收截止波长发生红移，且掺杂浓度越高，光学吸收系数越大。在1500nm波长处，50%浓度的S元素掺杂黑硅的吸光系数是1.5%浓度的S元素接杂黑硅的吸光系数的8.3倍，50/%浓度的F元系接杂黑硅的吸光系数是1.5%浓度的F元系接杂黑硅的吸光系数的3倍。在相同掺杂条件下，表面具有小尺寸微结构的柔性黑硅在近红外波段具有最高的吸收效率。最后，测试了制作的柔性黑硅样品，其吸光效率在紫外一可见波段高于95%，在近红外波段为70%～80%。
关键词吸收光谱；柔性黑硅；掺杂；第一性原理；时域有限差分
文献标识码：A
中图分类号：0433.5十1
引言
DOI: 10. 3964 /j. issn. 1000-0593 (2014 )04-0910-05
一难题。
柔性黑硅（flexibleblacksilicon，FBS）是一种曲面可控的新型黑硅材料，其可控曲面可以在很大程度上减小光谱像
微机械系统（micro-electro-mechanical systems，MEMS）技术的革命性进步及发展使得具有价格低廉、便于携带、在线检测等优点的MEMS微型光谱仪产泛应用于食品安全检测、环境监测等领域口-}。然而，随着待测对象种类的不断繁多，仅能在某一特定波段内进行光谱测量的传统式微型光谱仪的功能局限性日益严重。因此，急需研发紫外-可见-近红外宽波段微型光谱仪以满足急剧增长的检测需求(4.5]。在宽波段光谱仪中，由于光电探测器材料能带结构的固有特性，使得其光谱响应范围较窄。为此，通常需要采用多个光电探测器来进行组合光谱测量。例如，采用1个背照式线阵型电荷耦合元件探测250400nm波段的紫外光谱，1个Si线阵器探测400～900nm波段的可见-近红外光谱，2个InGaAs 0000006 红外光谱4」。多个不同波段的光电探测器的使用，极大地限制了宽波段光谱仪的微型化和集成化，是当前宽波段微型光谱仪发展所面临者的一不重要瓶领。因此，吸待解决在紫外可见-近红外波段内实现单一光电探测器的宽光谱高吸收这
收稿日期：2013-07-04，修订日期：2013-10-21
差校正，解决光谱仪器中宽光谱、高分辨率与小体积之间的矛盾问题，对宽波段光谱仪的进一步微型化及分辨率的提高有着重要价值，是一种极具潜力的新材料。由于该材料的禁带宽度为1.07eV，在波长大于1100nm的波段对入射光波的吸收非常微弱，因此，需要通过掺杂引人杂质能带来弥补这一缺陷，以达到在紫外-可见-近红外宽波段的高效吸收。针对这一新材料，本文拟从半导体能带理论出发，采用第一性原理计算了不同元素及浓度掺杂对柔性黑硅电子结构与能带结构的影响，再将第一性原理计算和有限时域差分算法相结合，建立其吸收光谱模型，从理论上得到掺杂参数及表面微结构尺寸对其吸收光谱的影响。最后，对柔性黑硅样品的吸收光谱特性进行测试。
掺杂元素对晶体电子结构和光学吸收特性 1
的影响
基于第一性原理平面波超软势方法7.，采用
基金项目：国家自然科学基金项目（6097084），高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题（20120191120021），申央高校基本科研
业务费(CDJZR12120004，1061120131206，1061120131208)资助
作者简介：韦玮，1982年生，重庆大学光电工程学院讲师
e-mail : wwei@ cqu. edu, cn