硫化镉(Cd S)是一种重要的II-VI族化合物半导体材料,它具有宽的直接带隙(~2.42 e V)、高的载流子迁移率(3×105 cm2/V·s)和良好的热稳定性,因而在电子和光电子器件领域具有重要应用价值。基于硅材料在电子工业中的重要地位以及硅纳米材料所呈现的优异光电性能,对Si基纳米器件的构建和光电性能研究引起了人们极大的兴趣。在前期研究中,我们通过水热腐蚀法制备出了一种具有微米-纳米多层次结构的规则Si纳米复合体系,即硅纳米孔柱阵列(Silicon Nanoporous Pillar Array,Si-NPA)。它具有特殊的物理和化学性能,可用来制备具有规则阵列结构的硅基功能性纳米复合体系。在此基础上,本课题组制备了Cd S/Si-NPA纳米异质结,发现其具有明显的整流效应和光伏性能,是一种具有重要应用前景的Si基纳米光电器件。但是由于Cd S薄膜较差的光电性能,阻碍了Cd S/Si-NPA异质结性能的进一步提升,如电致发光(EL)发光效率和强度很低,太阳能电池的串联电阻极高,短路电流很小,转换效率极低。因此,本文通过ⅢA族元素掺杂对Cd S薄膜光电性能进行改善,从而提高Cd S/Si-NPA纳米异质结的性能,进而制备出高性能的Cd S/Si-NPA纳米光电器件。论文取得的主要研究结果如下:1、Cd S/Si-NPA的制备、表征及其光电性能以Si-NPA为衬底,采用化学水浴法(CBD)制备了Cd S/Si-NPA多界面纳米异质结。该异质结的基本结构为:Cd S连续薄膜居于上层;Cd S纳米晶(nc-Cd S)和硅纳米晶(nc-Si)组成的多界面纳米异质结居于中间;纳米多孔硅层及单晶硅衬底居于下层。通过测试Cd S/Si-NPA的室温和变温光致发光(PL)谱,发现不同温度下的PL谱均由蓝光、绿光、红光和红外四个发射峰组成,峰位分别位于~436 nm,~563 nm,~688 nm和~810 nm。其中,蓝光峰来自于衬底,峰位峰强不随温度变化。其它三峰都来自于Cd S。绿光峰来自于nc-Cd S的近带边发射,红光峰来自于表面态电子到镉空位相关能级的跃迁,红外峰来自于表面态电子到硫间隙相关能级的跃迁。随着测试温度的升高,红光峰不断红移,红外峰几乎不变,而绿光峰出现“Λ”形变化,先蓝移(10-100 K),后红移(100-300 K)。与此同时,三峰强度逐渐减小,红光峰的强度在高于200 K之后几乎为0。通过相关机制研究表明,绿光峰位的反常移动应归因于束缚激子的去局域化行为。各发射峰峰强随温度的演变表明PL的热淬灭起源于与温度相关的非辐射复合过程。绿光峰在低温下非辐射复合过程主要归因于束缚激子的去局域化过程,而高温下则主要归因于LO声子被缺陷态散射所产生的热逃逸。红光和红外光在高温下的非辐射复合过程与绿光类似,低温下的非辐射复合过程为受主能级附近的局域态到受主能级的跃迁。2、B元素掺杂Cd S/Si-NPA的制备、表征及其光电性能以Si-NPA为衬底、硼酸为掺杂源,采用CBD法制备了B掺杂Cd S/Si-NPA。研究发现B元素掺杂对样品的表面形貌和结构没有明显影响,依旧保持了规则的阵列结构,但是对Cd S薄膜的电阻率以及Cd S/Si-NPA的光致发光、整流、电致发光和光伏特性(PV)都有显著影响。通过对B掺杂Cd S/Si-NPA的室温和变温光致发光谱测试,发现不同温度下PL谱均由绿光、红光和红外光三个发射带组成。随着掺杂量增加,由于B掺入方式的改变,绿光带先增强后又微弱减小,红光带和红外光带先减弱后增强。其中样品B-0.01的绿光最强,红光和红外光几乎消失。考虑到太阳光谱的特征,绿光为其最强烈区域,所以B元素掺入后有利于制备高效太阳能电池。随着B掺杂量的增加,Cd S电阻率非单调减小。样品B-0.01的电阻率最小为~98Ω·cm。同时,B掺入后Cd S/Si-NPA的整流特性明显改善。其中,样品B-0.01具有最好的整流特性,即最大的反向击穿电压(>3V)和最小的理想因子(10.6)。通过控制B掺杂量可以实现对EL发射波长的调控。随着B掺杂量的增加,EL谱由未掺杂时的单一绿光发射转变为绿光-红光或红光-红外双光发射。此外,B的掺入明显改善了Cd S/Si-NPA的光伏性能。其中,样品B-0.01的光伏性能最好,串联电阻仅为未掺杂样品的~3%,短路电流密度是未掺杂样品的~20倍,转换效率是未掺杂样品的~300倍。这一结果表明,B掺杂是提高Cd S/Si-NPA异质结光电性能的一种有效途径,最佳掺杂量([B]/[Cd])为0.01。3、Al元素掺杂Cd S/Si-NPA的制备、表征及其光电性能以Si-NPA为衬底、氯化铝为掺杂源,同样采用CBD法制备了Al掺杂Cd S/Si-NPA。研究发现Al元素掺入后没有破坏Cd S/Si-NPA的整体形貌,规则的阵列结构依旧保持,但是对样品的均匀性和致密性有显著影响。其中样品Al-0.07中薄膜的均匀性和致密性最好。室温下,Al掺杂Cd S/Si-NPA的PL谱均由位于~440nm的蓝光、~550nm的绿光和~800nm的红外光三个发射峰组成,没有红光发射峰,且红外发射峰强度很低。蓝光来自于衬底,绿光和红光来自于Cd S。红光峰的缺失和极低的红外峰强表明Cd S薄膜拥有低的缺陷态密度。随着Al掺杂量的增加,Cd S薄膜电阻率非单调减小。样品Al-0.07的电阻率最小为2.31×102Ω·cm。Al的掺入明显改善了Cd S/Si-NPA的整流特性。Cd S/Si-NPA的开启电压从~2.9V降为~2.1 V,反向击穿电压都高于5 V。通过控制Al掺杂量可实现Cd S/Si-NPA样品的EL谱从单一绿光到绿光-红光双光发射。Al掺入后有效地减小了Cd S/Si-NPA太阳能电池的串联电阻,增加了器件的短路电流,从而提高了器件的转换效率。其中,样品Al-0.07的光伏性能最好,串联电阻仅为未掺杂样品的0.3%,短路电流密度是未掺杂样品的~30倍,转换效率是未掺杂样品的~150倍。这一结果表明,Al掺杂是提高Cd S/Si-NPA异质结光电性能的一种有效途径,最佳掺杂量([Al]/[Cd])为0.07。4、In元素掺杂Cd S/Si-NPA的制备、表征及其光电性能以Si-NPA为衬底、氯化铟为掺杂源,采用连续离子层吸附与反应法(SILAR)制备了In掺杂Cd S/Si-NPA。研究发现In元素掺入后没有破坏Cd S/Si-NPA的整体形貌,规则的阵列结构依旧保持。随着掺杂浓度的增加,Cd S薄膜的粗糙度不断降低,均匀性和致密性不断提高。In掺杂Cd S/Si-NPA的室温PL谱只有位于~436 nm的蓝光和~520 nm的绿光发射峰,没有任何缺陷发射峰,表明In掺杂Cd S薄膜具有接近的化学计量比和较低的缺陷态密度。随着In掺杂量的增加,Cd S薄膜电阻率从9.97×103Ω·cm减小到6.53×102Ω·cm。In掺入后明显改善了Cd S/Si-NPA的整流和光伏特性。Cd S/Si-NPA的反向击穿电压从~3.0 V增加到6.5V。Cd S/Si-NPA太阳能电池的转换效率提高了2个数量级。此外,In掺杂Cd S/Si-NPA的EL谱为300-700 nm的宽谱发射,经色坐标计算为白光发射,并且通过控制掺杂浓度,可实现对其色坐标和色温的有效调控。In掺入后使得Cd S/Si-NPA有望成为制备硅基白光LED的理想材料。