硅被廣泛用于微電子工業中，盡管其光子學應用被限制在可見和部分近紅外由于其基本光譜范圍內的光學帶隙。因此，研究人員利用應變工程技術的最新進展來調整材料特性，包括光學帶隙。在最近發表在《科學進展》上的一項最新研究中，Ajit K. Katiyar和大韓民國電子工程與材料科學領域的一組科學家報告了應變引起的硅(Si)帶隙收縮。該工藝促進了光敏技術超出硅納米膜的基本極限光電探測器(Si-NM PD的縮寫)。該團隊使用最大應變為3.5%的機械拉伸Si-NM PD像素以增強光響應性，并將硅吸收極限擴展至1550 nm，適用于激光雷達傳感器和自動駕駛過程中的障礙物檢測。然后，他們開發了具有凹凸半球形結構的可變形三維(3-D)光電電子框架，用于電子原型，該原型顯示了廣角光檢測，并受到昆蟲生物學眼睛的啟發。
光電設備
低成本的柔性可彎曲光電設備，包括生物啟發成像系統，光電探測器和光伏電池可以在室溫下在近紅外(NIR)波長下工作。對于激光雷達傳感器和用于自動駕駛汽車的傳感器，人們迫切需要能夠檢測1300至2000 nm的短波紅外(SWIR)光譜范圍的光電探測器。激光雷達設備可自動觀察周圍物體360度，以作為無人駕駛車輛的眼睛。由于紫外-NIR波長的高功率光會損壞人眼的視網膜，因此SWIR光對于激光雷達系統至關重要。理論上的主張表明，硅的能帶結構可以在壓縮應變或拉伸應變的影響下得到實質性的改變。因此，材料科學家已將硅用作各種光子應用中的基本構件。例如，減小的光學帶隙可以捕獲能量小于硅基本能隙的光子，從而提高載流子遷移率。Katiyar等。因此，在Si晶格上施加了雙軸拉伸應變，并報告了它們的光響應遠遠超出了材料的光學帶隙極限。
開發和表征SWIR成像設備
為了證明SWIR成像能力，該團隊在薄聚合物基板上的超薄硅納米膜上制造了金屬-半導體-金屬(MSM)型光電探測器陣列。該設置幫助他們實現了成像技術，例如激光雷達傳感器和生物啟發成像系統。科學家使用光刻技術對目標光電二極管陣列矩陣進行了構圖，然后將構建體轉移到聚酰亞胺(PI)膜上，并增加了樣品架腔內的壓力，使PI膜凸出并形成凹凸形狀，同時保持了所制造的陣列。然后他們使用拉曼光譜法測量了不同厚度的硅納米膜樣品中的最大應變值。Katiyar等。計算了10納米厚的硅納米膜樣品在0到4%范圍內不同施加的雙軸應變值下的能帶圖，以了解帶隙減小在SWIR光檢測中的作用。
硅納米膜光電探測器(Si-NM PD)的工作原理
科學家們使用由10 nm厚的硅納米膜設計的單個金屬-半導體-金屬(MSM)型光電探測器，研究了應變誘導的光敏可調性。他們計算了應變增加時每個波長的光響應性。結果導致了這樣的假設：增強的光響應是由增強的光吸收和在較高的應變下光誘導的載流子遷移率共同作用引起的。從理論上講，應變可以實質上影響電荷載流子的遷移率，因此，隨著雙軸應變的增加，MSM器件顯示出超出硅基本光吸收極限(約1100 nm)的光敏能力。
Katiyar等。然后在應變不斷增加的情況下，在SWIR波長范圍內監測應變引起的硅光電探測的可調諧性。為此，他們通過施加應變來改變或減小其晶體結構，以改變硅晶體的晶格間距，從而在SWIR區域進行光吸收。在確認了具有代表性的單硅MSM器件的SWIR光敏特性后，他們將應變誘導的SWIR成像擴展到了凹凸結構的6 x 6 Si-NM PD陣列原型。
演示應變誘發的調優和受生物啟發的凹凸結構
為了證明應變誘導的調諧及其對光敏技術的影響，Katiyar等人。記錄字母“ Y”的光電流圖形，該圖形首先以蔭罩的形式制造在玻璃基板上。在達到約1.8%的應變水平后，他們記錄了可觀的光電流，以在1310 nm SWIR光下清晰地成像“ Y”。隨著凸出測試腔中的應變壓力增加，每個光電二極管像素中的應變也增加，最終增加了光電流的進程，以最大3.5%的應變實現圖像。使用壓力誘導的鼓脹方法，研究小組獲得了Si-NM PD像素陣列的凸半球結構，該結構也受到昆蟲的復眼生物啟發而用于廣角光檢測。
該團隊以相反的方式對光電二極管(PD)像素陣列進行了類似的設計，以產生凹形結構。具有顛倒的半球形幾何形狀的PD像素的凹面布置模仿了哺乳動物眼睛的凹面焦平面。使用凹面設置，該小組在1310 nm曝光和不同應變壓力下類似地對字母“ Y”進行了應變驅動成像。接下來，研究小組用平面和凹面結構下的光電二極管矩陣陣列記錄了字母“ I”的光電流圖案，以了解凹面在成像上的優勢，并指出凹面透鏡可提供字母“ I”的均勻和清晰的表示。一世'。
這樣，Ajit K. Katiyar及其同事證明了在使材料經受雙軸拉伸應變后，硅具有改進的光響應和SWIR(短波長紅外)光敏能力。他們創建了一個平臺，該平臺使用了在凸起結構上機械拉伸的薄硅納米膜來引入應變。他們通過施加雙軸應變來檢測入射光子超出材料的基本光吸收極限，從而降低了硅的光學帶隙。該團隊展示了使用具有SWIR光的6 x 6矩陣金屬-半導體-金屬光電二極管陣列的成像能力。然后，研究人員使用半球形的凹凸形狀構造了可以模仿生物眼睛的幾何形狀。這項工作允許通過應變工程在硅中進行SWIR感測，并有望在整個領域得到應用硅基圖像傳感器和光伏電池。
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