太原理工大学崔艳霞教授团队和中科院上海高等研究院李东栋研究员团队合作在《激光与光电子进展》发表题为“双通阳极氧化铝模板辅助纳米结构的制备及其在光电领域的应用进展”的封面论文。总结了双通AAO模板辅助制备纳米结构的方法，并介绍了这些图案化纳米结构分别在太阳电池、光电探测器、发光二极管等光电器件中取得的应用进展，最后对其发展趋势进行了展望。
封面解读
本封面以中国传统元素-折扇为背景，折扇辐射开去的形状寓意着发扬，展示了由双通阳极氧化铝（AAO）模板制备的纳米颗粒、纳米线/棒、纳米管等各种不同形状的纳米结构及其在太阳电池、光电探测器及发光二极管等光电器件中的应用发展。
文章链接：沈洁莲,冀婷,李国辉,石林林,冯琳,王文艳,李东栋,崔艳霞.双通阳极氧化铝模板辅助图案化纳米结构的制备及其在光电领域的应用进展[J].激光与光电子学进展,,59(3):
背景介绍
在太阳电池、光电探测器、发光二极管(LED)等光电器件中，半导体层的光学与电学特性对其性能起决定性作用。而在光电器件中引入新型图案化纳米结构能够改善其性能。制备图案化纳米结构的方法主要有紫外光刻法、电子束曝光法、聚焦离子束刻蚀法、自组装模板法等，其中自组装模板法是一种适合制作大面积图案化纳米结构的低成本方法。与聚苯乙烯微球自组装模板相比，阳极氧化铝(AAO)自组装模板具有结构可调、绝缘性好、稳定性好等优点。AAO模板可分为单通和双通两种类型，单通AAO模板在光学领域具有很好的应用前景，但其底部的阻挡层不利于载流子传输，应用受到一定的限制。双通AAO模板去除了底部的阻挡层，适用于新型纳米结构太阳电池、光电探测器、发光二极管等应用。双通AAO模板的制备方法
制备双通AAO模板，通常将铝作为阳极，碳、铂等惰性材料作为阴极，在酸性电解液中进行氧化，然后去除底部的阻挡层获得。为了提高AAO模板的有序性，提出了二次氧化法以及压印与氧化相结合提高有序性的方法，如图1所示。图1制备流程示意图。(a)两步氧化法制备超薄AAO模板流程示意图；(b)纳米压印制备双通AAO模板流程示意图
双通AAO模板辅助制备纳米结构
双通AAO模板制备纳米颗粒利用双通AAO模板作为掩膜，结合电子束蒸镀、磁控溅射、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积等工艺可以实现金属纳米颗粒或者非金属纳米颗粒的制备，该方法制得的纳米颗粒具有形貌可控、引入杂质较少等优点。由于双通AAO模板的封闭效应和阴影效应，可利用不同纵深比的双通AAO模板沉积制备如圆盘、半球、椭球、锥状等多种形貌的纳米颗粒，如图2所示。此外，不同形貌的AAO模板直接沉积也可制备不同形貌的纳米颗粒，如方形阵列。在制备纳米颗粒阵列的基础上，如果改变沉积时所使用源材料种类，可以制备出壳核纳米颗粒结构。除了作为掩膜，双通AAO模板还可结合退火自聚集，在空间上限制纳米颗粒的生长，目前已被用于硅量子点、金属纳米颗粒阵列的制备。图2双通AAO掩膜制备不同结构纳米颗粒示意图双通AAO模板制备纳米线/棒图3展示了采用双通AAO模板制备的不同纳米线/棒结构，主要有根据模板形貌变化所制备的同质纳米线/棒阵列以及由于沉积次数、顺序变化所制备的壳核、多段混合纳米线/棒阵列。常见的单质纳米线/棒阵列可采用电化学沉积、蒸镀、溅射、化学气相沉积(CVD)、ALD、溶液-凝胶、溶剂退火等方法，在AAO模板内填沉积目标材料，在移除模板后，得到独立的纳米线/棒阵列。根据所使用AAO模孔洞在纵向上的形貌不同，可以制备如直线型、竹节型等纳米线/纳米棒阵列。壳核纳米线/棒阵列与多段混合纳米线/棒阵列，则通过多次或交替沉积材制备。图3双通AAO模板制备不同纳米线阵列示意图
双通AAO模板制备纳米管图4展示了采用双通AAO模板所制备的不同纳米管结构，主要有单臂纳米管阵列、壳核纳米管阵列以及多壁纳米管阵列。对于单臂纳米管，其制备方法可以分为催化剂以及非催化剂。为了实现纳米管的定向生长，往往采用金属纳米颗粒作为催化剂，常见于碳纳米管的制备中。与壳核纳米线类似，改变沉积所使用的源材料工艺等，可制备出壳核纳米管、多壁纳米管结构。其中，多壁纳米管是两个或者多个纳米管互相分开的同心管结构，可以通过多次交替沉积目标材料与中间材料，最后去除AAO模板与沉积的中间材料制备。此外，还有因AAO模板形貌结构不同而制备的不同形貌纳米管结构。图4双通AAO模板制备不同纳米管阵列的示意图双通AAO模板辅助制备图案化纳米结构在光电领域的应用
太阳电池根据双通AAO模板辅助制备纳米结构在太阳电池不同功能层中的应用，可以分为太阳电池表面陷光、纳米结构光活性层以及纳米结构电子传输层三个方面的应用。一方面双通AAO模板辅助制备纳米结构可以实现表面陷光或光活性层内部陷光，从而提高太阳电池的光吸收、增强激子解离，从而提高电池的光电转换效率，另一方面交错的纳米结构光活性层还缩短了载流子收集的距离，有利于载流子的有效收集。最后，在一些如钙钛矿等材料中保留双通AAO模板，不仅可以提高光吸收，还具有减少缺陷与陷阱，提高器件稳定性的潜力。图5双通AAO模板在太阳电池中的应用举例光电探测器双通AAO模板可以辅助制备多种纳米结构，能较好地控制纳米结构的形貌参数，应用于光电探测器的光敏层主体以及入射面，可以实现低成本、高性能的光电探测。双通AAO模板可以制备垂直取向、长度适合、孔径较小的纳米线阵列光活性层，在保持高光电流增益的同时，提高光电探测器的响应速度，还可以结合异质结结构制备光活性层来提高其亮/暗电流比、拓宽响应谱。此外，结合双通AAO掩膜可以控制纳米颗粒的形貌参数以及分布位置，能够显著提高光电探测器的特征光响应，这对于新型表面等离激元光电器件的研发具有重要意义，也是未来研究的重点方向。图6双通AAO模板在光电探测器中的应用举例发光二极管传统的发光二极管器件中，由于衬底吸收、出光面的全反射、菲涅尔反射等因素导致大部分的光限制在器件内部，对器件发光性能产生极大的影响。因此，需要减少器件的光学损失，从而提高器件的发光性能。近十年来，利用低成本的双通AAO模板分别在发光二极管器件的发光层、衬底、表面辅助制备光子晶体纳米结构，能够有效降低发光二极管器件内部与表面的光学损耗，用于提高发光二极管器件的光提取效率及发光性能。双通AAO模板在发光二极管器件中的应用主要集中在GaN基发光二极管的表面、衬底以及发光层中，利用AAO掩膜刻蚀纳米结构以提高光提取效率，从而提高光输出性能，还伴随着晶体质量、散射性能的提升。此外，最新的研究揭示了双通AAO模板在柔性发光二极管器件中的潜力，将其用于制备光子晶体发光层，可以提高器件的光提取效率、外量子效率。而保留双通AAO模板在一些发光二极管器件中能够起到封装钝化的作用，有一定的应用前景。图7双通AAO模板在发光二极管中的应用举例总结与展望
AAO模板以其成本低、参数可调、稳定性高及在可见光与大部分红外光区域透明等优点，被广泛用于图案化纳米结构的制备中。以双通AAO模板为掩膜，结合沉积法、溶液法等工艺，可以制备纳米颗粒、纳米线/棒、纳米管等多种纳米结构。这些纳米结构已被广泛应用于太阳电池、光电探测器、发光二极管等光电器件中。双通AAO模板的制备及应用虽然已经取得了长足的进步，但是仍然存在以下几个方面的问题尚需解决。首先，在AAO模板的制备方面，大面积掩膜如何保证掩膜与衬底的共形接触，实现完整无缺陷的模板转移，是该工艺真正从实验室走向商品化首先需要解决的问题。其次，在双通AAO模板的应用方面，双通AAO模板辅助纳米结构在未来的发展中还有很多的机遇。最后，由于半导体的晶体质量对器件性能有很大的影响，因此如何提高纳米结构的晶体结晶质量进而提高器件性能仍具有很大的探索空间。课题组介绍
纳米光电子器件团队是太原理工大学物理与光电工程学院重点培育的一支年轻的科研队伍，由国家优秀青年基金获得者崔艳霞教授领衔，现有12名教师，30余名博士、硕士研究生，主要围绕高性能光电子器件开展研究，共承担国家级、省部级项目20余项，实验室拥有超净间平方米，相关制备及表征仪器设备原值一千余万元。课题组目前研究方向主要包括碳化硅热载流子光电探测器、钙钛矿光电探测器、有机光电探测器、低成本纳米结构制备技术、钙钛矿纳米激光、钙钛矿量子点单光子源等。
科学编辑
冀婷
编辑李雅新
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