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致發(fā)射特性等，并且成本低，靈敏度高——基于黑硅的光探測器在可見光波段的靈敏度甚至可以達(dá)到傳統(tǒng)硅探測器的10倍。在光電二極管、太陽能電池、光電探測器和發(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，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、對計(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器以及位于基底中的透射光探測器；

步驟b：材料參數(shù)的設(shè)定；

采用薄膜分析儀測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對相應(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范圍及基底材料和黑硅材料的擬合波長范圍均為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)對單個(gè)周期單元的仿真代替了對大面積金字塔陣列結(jié)構(gòu)的仿真，進(jìn)一步簡化了仿真過程；

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)置檢測器，即可實(shí)現(xiàn)對其性能的測試，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)施例和說明書附圖對本發(fā)明原理進(jìn)行詳細(xì)說明：

本發(fā)明所提出二維仿真模型的確立過程為：

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，通過對三維隨機(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)置反射光探測器1，在二維平面基底5中設(shè)置透射光探測器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對相應(yīng)材料參數(shù)進(jìn)行擬合，為保證擬合精度，擬合的波長范圍不宜過寬，同時(shí)為與測試儀器的工作波段匹配，本實(shí)施選取擬合波長范圍為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其仿真區(qū)域進(jìn)行仿真，通過圖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)對光的反射、透射、吸收情況。因此，本發(fā)明通過研究不同幾何結(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)。