在摩尔定律发展遇到瓶颈的“后摩尔时代”,集成光电子技术作为继续提高算力的有效手段,其概念一经提出就得到了学界与业界的广泛关注。经过多年发展,目前工业领域已得到通过将光模块与CMOS电路集成在同一硅基芯片上的有效手段。然而由于硅材料带隙较宽且表面反射率高的特点,其始终未能应用于探测器部分的制作。而通过脉冲激光在结晶硅表面诱导出微纳结构的黑硅材料,由于其从可见光到红外光波段的宽光谱范围内高吸收特性,是当前制备可工作在通讯光波段（即1.31μm和1.55 μm）的硅基探测器的理想选择。当前研究表明,由黑硅制成的光电探测器,在近红外波段可以达到目前商用探测器的性能。然而脉冲激光黑硅虽然应用潜力巨大,但在过去的20年中却发展缓慢,这很大程度上是受限于脉冲激光作用的黑硅表层中复杂的物理化学结构,以及其对应的吸收机制尚不明晰。本文的选题基于作者导师及其团队前期关于黑硅光电探测领域的实验探索:通过纳秒脉冲激光辐照加工得到的氩原子超掺杂的黑硅材料,由其制备的探测器件的比探测率在1.31 μm红外通信波段具有优异性能。本文重在从原子级的微观角度出发,运用理论计算模拟的方法探究其内部的红外吸收机制。在本论文中,通过第一性原理计算,发现了一种新的动态稳定超原子结构缺陷,通过分析其内部微观结构与动力学性质,得到了氩原子作为替位杂质与硅晶格作用的过程。计算该体系电子结构,确定了该缺陷对硅能带结构的影响,从理论上提出了惰性原子的引入增强硅材料红外吸收的物理机制。该机理的提出为惰性原子掺杂在硅基光电子学中的应用提供了理论基础。通常认为,激光照射会产生多种非晶相,这些相显着有助于红外吸收。然而,由于复杂的光与物质相互作用,对这些非晶相的局部结构、结构-性质关系和形成规律的认识还不够。通过第一性原理分子动力学模拟,采用熔融淬火法得到了一系列非晶硅。取决于冷却速率,形成不同程度的扭曲或约束局部结构,而sp3杂化主要保留在非晶硅中。更快的冷却速度导致更无序的局部结构,从而在带尾或带隙中引入更多的缺陷状态,这有助于提升红外吸收。此外,在玻璃态转变温度附近,液态硅的能量和结构发生剧烈变化,形成非晶态固体,从而表明了决定非晶态结构的关键过程。综上,为了探究黑硅内部的物化性质,本文利用第一性原理计算从微观的角度分析了脉冲激光黑硅加工层内原子级结构的形成机理,探索了黑硅内超掺杂缺陷和非晶态两个主要光学活性源对于红外吸收的影响。结合相关的实验研究,提出了惰性原子杂质以及脉冲激光的热管理效应调控黑硅红外探测器性能的机制。根据该机制,有望通过设计掺杂元素和激光的脉冲宽度,指导制备具有低噪声、高探测效率的黑硅红外探测器。