让黑暗赋予光明——黑硅自述

各位朋友，我是“黑硅”，为什么叫黑硅呢？简单说，我也是硅家族的一员，但是与常规的其他硅片兄弟比起来，我表面看起来很黑，几乎不反射光并且对光吸收率很高，人们又觉得我天生异秉能做成特别神奇的器件，因此给我取名叫“黑硅”。由于制作我的方法众多，半导体各个分支领域对我的理解也不是完全一样，这里我简单做个自我介绍，请各位以后多捧场，多研究下我，让我的知名度更高些。

在二十世纪八十年代，一些人用反应离子刻蚀硅衬底的方法最早制作了我（图1），所谓反应离子刻蚀就是利用由等离子体强化后的反应离子气体轰击刻蚀硅表面，正是这种高能气体离子在硅表面不断的刻蚀，最终在硅表面形成了纳米细针阵列的表面结构，这种细针高度可达到10微米以上并且直径小于1微米，人们相信这种材料与硅相比有着独特的性能，于是给我取名“黑硅”。我的产生正是古语所云“铁杵磨成针”的写照，你看亿万高能离子的轰击，千锤百炼方能成就我的微纳米尖锥表面。随后多年，纳米研究风起云涌，弄潮的人儿也创造了多种方法来制造我，除了不断改进的反应离子刻蚀方法外，还有电化学刻蚀、应力刻蚀、气相化学刻蚀、金属辅助化学刻蚀、等离子体浸没刻蚀等众多的方法，这些方法做出来的我虽然微纳米结构上看来是有些不同，但是人眼看我绝对是够黑的，并且用我做的探测器、热成像器件、太赫兹应用器件、太阳电池等都有不错的效果，为此人们给我也写了很多综述的文章为我做传，探讨我的制备、性能和器件。

但是，人们发现我其实还不够黑，因为人眼是可见光波段的，人眼看着黑并不一定完全黑，对一些红外成像设备来说，我依然不是黑硅，他们能够透过我看到我背面的东西（如图2）。为什么我还能被红外成像设备看透呢，因为我的身体是硅，硅的带隙是1.12eV，纯洁的她对波长大于1.1微米以上的光是无法阻挡的，依然能够透过。我的硅姐妹天生如此，我如何能够变得能够吸收红外的光呢？1998年前后，哈佛大学的Mazur教授课题组[2]利用飞秒激光辐照六氟化硫气氛中的硅，在扫描的同时把硫元素也融入进去了，这样形成了一层超饱和掺杂硫的硅材料，这种硅材料引入的杂质形成了新的能带结构，就向屋子和楼顶间加了楼梯，原来跳不上去的长波长光子现在也能找到楼梯上去，于是大于1.1微米的光也被吸收进来，这样即使是红外相机也看不到我背后的图案了（见图3）。中国的科学家给我取了一个好听的名字叫做广谱吸收的黑硅。我的新特性能够吸收全光谱的太阳能，太阳光到达地球的光谱（如图4）是一个比较长的谱，典型的谱线可以从0.2微米到3微米，而纯晶硅只能吸收波长小于1.1微米的部分光，还有一大部分的太阳光不在这个范围内，既然不能被吸收，这些光自然也无法转换成电，太阳能的大部分就浪费掉了。但是，我却可以把这些光全部吸收过来，因为除了表面微纳米结构给了我超强的减反能力，让我能吸收足够小于1.1微米的光外，超饱和硫掺杂也给了我超强的吸收大于1.1微米波段光的能力，这样我就能最大限度的吸收整个太阳光特征谱段的光了。可是，全黑的我能够借助全光谱吸收的太阳光获得令人满意的电力吗？

现代太阳能电池从1954年开始，到今天已经有60周年了，那时候的材料就是我的硅姐妹。今天她已做成了世界上最广泛使用的电池类型，工厂里面不停地生产，为人类提供了大量的电力，造福了全人类。而我还在黑暗中摸索，虽然很多人因为我的黑对我情有独钟，不断的探索我的特性。但是，世间万物需要平衡中实现最优化，虽然表面微纳米结构和硫掺杂给了我全黑的秉性，我能够把所有的太阳光留住，但是现在却很难把光导出形成可利用的电力，因为激光造成的微纳米非晶态缺陷，也给我引入了更多的电子复合损耗，就像路上车太多、障碍太多堵住了一样，很难通畅。目前，利用我吸收的大于1.1微米波段的红外太阳光形成的电量几乎探测不到，而对小于1.1微米的光生载流子也产生不了效果。为了很好的实现顺畅的通路，人们设想了一些路径，其中有条路叫做中间带（如图5的中间带能级图），通过保持住常规的上下能级位置，并实现在中间插入一个新的能带，就像新建悬空的高架桥一样，这样我也许就能很好地被利用来产生电力了。可是现在大家还没有造好这座桥。

太阳能电池慢慢成为能源大户，硅妹子是经过了一个甲子的修炼才有今天的成就，全黑的我也快20年了，大家加把劲，快点架好桥，让我把吸收到的光导出形成更多的电吧。让黑暗赋予我光明，我就是黑硅，我正时刻准备着迎接太阳的万丈光芒。