本發(fā)明涉及一種金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的二維仿真模型及其建立方法和運(yùn)用金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅二維仿真模型仿真光學(xué)吸收性能的方法。

背景技術(shù)：

黑硅作為一種新型低反射率材料，在近紫外至近紅外波段(0.25～2.5μm)均表現(xiàn)出了良好的吸收特性。此外，黑硅還具有良好的可見和近紅外發(fā)光特性以及良好的場(chǎng)致發(fā)射特性等，并且成本低，靈敏度高——基于黑硅的光探測(cè)器在可見光波段的靈敏度甚至可以達(dá)到傳統(tǒng)硅探測(cè)器的10倍。在光電二極管、太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器和發(fā)光器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至可以用于廣闊的數(shù)碼相機(jī)和攝像市場(chǎng)，有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

制備具有寬光譜高吸收率的黑硅一直是光電材料領(lǐng)域熱門的研究課題，除了改進(jìn)現(xiàn)有的制備工藝，通過(guò)黑硅模型仿真，研究不同幾何結(jié)構(gòu)的黑硅吸收率從而指導(dǎo)黑硅的制備，也是獲得高吸收率黑硅材料的有效途徑。

目前，對(duì)于黑硅的仿真大多是基于幾何參數(shù)隨機(jī)分布的三維尖錐狀結(jié)構(gòu)模型，或是圓錐狀結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型，盡管這些模型是對(duì)黑硅表面結(jié)構(gòu)的一種合理近似，但仍然存在著仿真計(jì)算量大、仿真時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高的缺陷。同時(shí)，由于仿真計(jì)算量大的限制，實(shí)現(xiàn)黑硅在寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)吸收性能的仿真也存在一定困難。因此，如何降低仿真計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑硅結(jié)構(gòu)的高效率仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)黑硅在寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)吸收性能分析成為本領(lǐng)域想要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的二維仿真模型及其建立方法和仿真方法，運(yùn)用該金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的二維仿真模型進(jìn)行仿真能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中三維仿真模型所存在的仿真計(jì)算量、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高的缺陷，提高仿真效率，進(jìn)而有利于實(shí)現(xiàn)更寬光譜范圍內(nèi)仿真。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

技術(shù)方案1：

一種金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的二維仿真模型，包括：二維平面基底及在二維平面基底上相互間隔且周期性排列的多個(gè)二維平面尖錐。

技術(shù)方案2：

一種金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅二維仿真模型的建立方法，包括以下步驟：

步驟a：根據(jù)樣品表面形貌得到三維仿真模型；

采用掃描電子顯微鏡提取黑硅表面具有隨機(jī)特征的四棱錐狀幾何結(jié)構(gòu)，基于上述幾何結(jié)構(gòu)建立三維仿真模型，所述三維仿真模型包括：基底及在基底上相互間隔排列形成陣列的多個(gè)形狀、尺寸相近的金字塔結(jié)構(gòu)；步驟b：三維仿真模型簡(jiǎn)化為二維仿真模型；

采用與基底平面相垂直的平面截取步驟a得到三維仿真模型，所述平面經(jīng)過(guò)所有金字塔結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)和底面中點(diǎn)，截取得到的截面作為二維仿真模型，所述二維仿真模型包括：二維平面基底及在二維平面基底上相互間隔且周期性排列的多個(gè)二維平面尖錐。

技術(shù)方案3：

一種金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅材料的光學(xué)吸收性能仿真方法，包括以下步驟：

步驟a：建立金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的二維仿真模型：

a1：將二維平面基底及在二維平面基底上相互間隔且周期性排列的多個(gè)二維平面尖錐作為二維仿真模型，然后采用所述二維仿真模型中任一個(gè)結(jié)構(gòu)單元作為仿真區(qū)域，結(jié)構(gòu)單元包括基底及位于基底上的一個(gè)平面尖錐，所述仿真區(qū)域的寬度與任一平面尖錐的底部寬度和任意兩個(gè)相鄰平面尖錐之間的距離這二者的總和相同，設(shè)置平面尖錐的高度、底部寬度及任意兩個(gè)相鄰平面尖錐之間的距離；

a2：在仿真區(qū)域中分別設(shè)置位于黑硅尖錐正上方的平面光源、位于光源上方的反射光探測(cè)器以及位于基底中的透射光探測(cè)器；

步驟b：材料參數(shù)的設(shè)定；

采用薄膜分析儀測(cè)得基底材料和黑硅材料的光學(xué)常數(shù)，然后利用軟件材料庫(kù)對(duì)相應(yīng)材料參數(shù)進(jìn)行擬合；

步驟c：物理模型的邊界設(shè)定；

設(shè)定仿真區(qū)域上下邊界條件為完美匹配層，設(shè)定仿真區(qū)域左右兩側(cè)邊界條件為周期邊界條件；

步驟d：計(jì)算吸收率；

將仿真區(qū)域劃分為互不重疊的n個(gè)網(wǎng)格單元，采用時(shí)域有限差分法計(jì)算得到金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的反射率和透射率，通過(guò)公式如下計(jì)算得到吸收率：

a＝1-r-t

其中，a為吸收率，r為反射率，t為透射率。

本技術(shù)方案中平面光源采用正入射方式使得光線入射至黑硅中。

本技術(shù)方案中基底的材料和黑硅的材料均為單晶硅。

本技術(shù)方案中平面光源的波長(zhǎng)范圍及基底材料和黑硅材料的擬合波長(zhǎng)范圍均為0.4～1.7微米。

本技術(shù)方案的步驟b中擬合材料參數(shù)是基于最小擬合均方根誤差，在擬合均方根誤差最小的情況下得到最大擬合系數(shù)為20，虛部權(quán)重的經(jīng)驗(yàn)值為3。

本技術(shù)方案中網(wǎng)格單元的尺寸為0.00025μm×0.00025μm～0.00075μm×0.00075μm。

與其他仿真模型相比，本發(fā)明的有益效果主要在于：

采用金字塔陣列結(jié)構(gòu)幾何模型代替黑硅表面隨機(jī)特征的尖錐狀幾何結(jié)構(gòu)，避免了隨機(jī)特征結(jié)構(gòu)引入的額外仿真計(jì)算量，通過(guò)將仿真區(qū)域設(shè)置成二維、并使用周期邊界條件實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)周期單元的仿真代替了對(duì)大面積金字塔陣列結(jié)構(gòu)的仿真，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了仿真過(guò)程；

運(yùn)用本發(fā)明二維仿真模型中任一個(gè)結(jié)構(gòu)單元作為仿真區(qū)域，并在仿真區(qū)域內(nèi)設(shè)置檢測(cè)器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的測(cè)試，并且，二維仿真模型的幾何參數(shù)可以調(diào)節(jié)，亦能通過(guò)研究不同幾何結(jié)構(gòu)的黑硅的性能參數(shù)進(jìn)而指導(dǎo)黑硅的制備；

運(yùn)用本發(fā)明提出的二維仿真模型進(jìn)行仿真，能夠在保證結(jié)果正確性的前提下，使得模型整體的仿真計(jì)算量和仿真時(shí)間大大減少，從而降低了仿真硬件要求，提高了仿真效率，為分析黑硅表面幾何結(jié)構(gòu)對(duì)寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)吸收、反射及透射性能提供了可靠的模型基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為二維仿真模型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例利用金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅二維仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算光學(xué)吸收率的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1是反射光探測(cè)器，2是平面光源，3是仿真區(qū)域，4是平面尖錐，5是二維平面基底，6是透射光探測(cè)器。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供二維仿真模型中幾何參數(shù)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例利用金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅二維仿真模型進(jìn)行仿真時(shí)光源入射方向與極化方向示意圖。

圖5為本發(fā)明所提供三維隨機(jī)尖錐狀幾何結(jié)構(gòu)和二維仿真模型的仿真結(jié)果對(duì)比圖；圖(a)為三維隨機(jī)尖錐狀結(jié)構(gòu)的反射、透射、吸收特性圖，采樣間距為0.3μm，高度均方根為1.2μm，尖錐的間距為0，寬高比近似為1∶3；圖(b)為二維仿真模型的反射、透射、吸收特性圖，尖錐的間距為0，寬高比為1∶3。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明所提出二維仿真模型的確立過(guò)程為：

本實(shí)施例采用fdtdsolutions軟件，借助軟件的roughsurface結(jié)構(gòu)工具通過(guò)金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的掃描電子顯微鏡(sem)圖提取黑硅表面具有隨機(jī)特征的尖錐狀幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)黑硅表面具有隨機(jī)特征的尖錐狀幾何結(jié)構(gòu)建立三維仿真模型，三維仿真模型中多個(gè)形狀、尺寸相近的金字塔結(jié)構(gòu)單元規(guī)整排列形成具有固定寬高比和間距的陣列，通過(guò)對(duì)三維隨機(jī)尖錐狀幾何模型和三維仿真模型這兩者進(jìn)行三維仿真得到反射率和透射率，進(jìn)而計(jì)算得到對(duì)入射光的吸收率，由于三維隨機(jī)尖錐狀幾何模型的仿真結(jié)果和三維仿真模型的仿真結(jié)果比較接近，因此，采用三維仿真模型代替三維隨機(jī)尖錐狀幾何模型，以簡(jiǎn)化仿真；

采用一平面截取上述三維仿真模型任意一列，該平面與基底平面垂直且經(jīng)過(guò)同一列金字塔結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)和底面中點(diǎn)，在三維仿真模型截取得到的截面則為二維仿真模型。

如圖1為本發(fā)明二維仿真模型的結(jié)構(gòu)示意圖，包括二維平面基底5和多個(gè)二維平面尖錐4，多個(gè)形狀、尺寸相近的二維平面尖錐4在二維平面基底5上間隔、等距排列形成周期性結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例1：本發(fā)明實(shí)施例提供一種金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅材料的光學(xué)吸收性能仿真方法，包括以下步驟：

步驟a：建立金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的二維仿真模型：

a1：將二維平面基底5及在二維平面基底5上相互間隔且周期性排列的多個(gè)平面尖錐4作為二維仿真模型，然后設(shè)定所述二維仿真模型中任一個(gè)平面尖錐結(jié)構(gòu)單元作為仿真區(qū)域3，所述結(jié)構(gòu)單元包括二維平面基底5及位于其上的一個(gè)平面尖錐4，仿真區(qū)域3的寬度與任一平面尖錐4的底部寬度和任意兩個(gè)相鄰平面尖錐4之間的距離這二者的總和相同，設(shè)定平面尖錐4的高度和底部寬度及任意兩個(gè)相鄰平面尖錐4之間的距離(以下簡(jiǎn)稱為尖錐間距)；

a2：在仿真區(qū)域3中在黑硅尖錐正上方設(shè)置平面光源2、在平面光源2上方設(shè)置反射光探測(cè)器1，在二維平面基底5中設(shè)置透射光探測(cè)器6；

步驟b：材料參數(shù)的設(shè)定；

本實(shí)施例中基底材料和黑硅材料均為單晶硅，采用相同方式對(duì)二者的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：

材料設(shè)定方式具體如下：首先采用f20filmetrics分析儀分別測(cè)得基底材料和黑硅材料的光學(xué)常數(shù)，然后利用軟件材料庫(kù)對(duì)相應(yīng)材料參數(shù)進(jìn)行擬合，為保證擬合精度，擬合的波長(zhǎng)范圍不宜過(guò)寬，同時(shí)為與測(cè)試儀器的工作波段匹配，本實(shí)施選取擬合波長(zhǎng)范圍為0.4～1.7μm，本實(shí)施例以最小擬合均方根誤差為目標(biāo)反復(fù)優(yōu)化后，在最小均方根誤差為0.0599，擬合系數(shù)的數(shù)量為16的情況下，確定最大擬合系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為20，虛部權(quán)重的經(jīng)驗(yàn)值為3；

步驟c：物理模型的邊界設(shè)定；

設(shè)定仿真區(qū)域3上下邊界條件為完美匹配層，設(shè)定仿真區(qū)域3左右兩側(cè)邊界條件為周期邊界條件；

步驟d：計(jì)算吸收率；

將仿真區(qū)域3劃分為互不重疊的n個(gè)網(wǎng)格單元，本實(shí)施例設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.00025μm×0.00025μm，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.0167飛秒，采用時(shí)域有限差分法計(jì)算得到金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的反射率和透射率，然后通過(guò)公式如下計(jì)算進(jìn)一步得到吸收率：

a＝1-r-t

其中，a為吸收率，r為反射率，t為透射率。

按照上述實(shí)施例建立二維仿真模型并對(duì)其仿真區(qū)域進(jìn)行仿真，通過(guò)圖5可以看出：三維仿真模型的仿真結(jié)果和二維仿真模型的仿真結(jié)果基本一致，因此，本發(fā)明將三維仿真模型的仿真區(qū)域簡(jiǎn)化為二維仿真模型的仿真區(qū)域，以周期邊界條件下實(shí)現(xiàn)單個(gè)周期單元的仿真代替大面積金字塔陣列結(jié)構(gòu)的仿真。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)金字塔陣列結(jié)構(gòu)黑硅的寬高比(平面尖錐4的底部寬度與高度的比值)和尖錐間距，重復(fù)仿真步驟，即可研究具有不同幾何參數(shù)的黑硅結(jié)構(gòu)對(duì)光的反射、透射、吸收情況。因此，本發(fā)明通過(guò)研究不同幾何結(jié)構(gòu)的黑硅吸收率能夠指導(dǎo)黑硅的制備，進(jìn)而獲得具有高吸收率的黑硅材料。

本發(fā)明在保證仿真結(jié)果正確性的前提下，避免隨機(jī)特征參數(shù)引入的仿真計(jì)算量，縮小仿真區(qū)域，大大提高仿真效率。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了闡述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。