硅纳米晶的光致发光研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇硅纳米晶的光致发光研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：主要研究在Si—nc的制备过程中制备不同的多层结构，是否对材料进行热处理后的Si—nc的光致发光强度，其实验结果表明多层结构对Si—nc的发光强度有一定的影响，改变多层结构可提高Si—nc的光致发光强度，同样经过热处理也可提高Si—nc的发光强度。

关键词： Si—nc；光致发光；退火；量子限制效应

0 引言

基于当代硅技术的光电集成，对硅光源以及硅基波导和硅基谐振腔提出了迫切的需求。最近对后两者的研究取得了突破性的进展，Rong等人报道了全硅拉曼激光器。然而硅光源的发展依然比较缓慢。镶嵌于二氧化硅基质中的硅纳米晶（nc—Si）由于其发光的稳定性、结构的稳固性以及所具有的受激辐射特性，在过去的几年里已经成为研制硅光源的优选材料。但是基于nc—Si的硅光源发光仍然较弱，谱线较宽，载流子注入效率比较低等问题大大限制了它的发展。因此，提高发光效率是实现硅基光电集成的必要条件[1]。

当纳米晶尺寸缩小到与其激子玻尔半径相当时，会产生所谓量子限制效应（quantum confinement effect），该纳米晶就称为量子点。在量子点中，电子或空穴的运动在三维空间都受到约束，载流子只能位于分离的束缚能级，运动完全量子化，从而削弱了动量守恒的限制。所以半导体纳米晶与同成份的体材料在电子结构上是不同的。主要表现在随着尺寸的减小，半导体能隙加宽，电子—空穴交换作用加强，激子束缚能增大，光跃迁振荡强度提高等。量子约束效应中，报道得最多的是量子尺寸效应，即随着量子点尺寸的减小，带隙增加。这意味着对于具有固定化学组成和晶体结构的某种材料，仅仅凭借其物理尺寸的变化就可以调节其光学性质。多孔硅和纳米晶硅发可见光正是基于量子约束这个原理[2]。

本文的主要目的是研究在Si—nc的制备过程中制备不同的多层结构，是否对材料进行热处理后的Si—nc的光致发光强度，其实验结果表明多层结构对Si—nc的发光强度有一定的影响，改变多层结构可提高Si—nc的光致发光强度，同样经过热处理也可提高Si—nc的发光强度。

1 实验

在本实验中，采用了纯度为99.99%的P型Si（100）作为衬底。将衬底Si在体积为 的溶液中加热30min后，分别在丙酮、酒精溶液中超声15min，取出硅片放入蒸发系统（DMDE—450光学多层镀膜机）中以便于制备Si、SiO单层和SiO/SiO2超晶格结构。当蒸发系统中的真空度达到

时，即可进行实验。为了获得均匀和致密的材料，在蒸发过程中要求SiO的蒸发速率 ，而SiO2的蒸发速率

。蒸发结束后，将其在温度为1100℃， 流量为200Sccm的条件下退火1小时即可形成Si—nc[3][4]。

将制备好的Si—nc在Hitachi F—4500进行测试，其参数设置为：激发波长 ，测试波长范围 ，光电倍增管电压为700V。激发端光束入射带宽10nm，收集端光束出射带宽20nm，扫描速度是1200nm/min，发射狭缝前放有滤色片，使波长短于580nm的光截止而不被探测器接收。在以后的测量中，如果没有特殊说明，测量参数同此[5]。

2 结果与讨论

从图1中可以得出：晶体Si本身是不发光的，其发光强度近似为0，如图中曲线1所示。从图中曲线2和3可看出Si—nc的发光强度很高。其Si—nc的形成机制为：

图中还表明Si—nc的发光强度的波长位置在750nm附近，这正是Si—nc发光强度的位置。比较曲线2和3可以得出多层结构中形成的Si—nc的发光强度比SiO中形成的Si—nc的发光强度要强，所以改变其结构可以增强Si—nc的光致发光。

图2是由日立F—4500型光谱仪室温测量所得的SiOx薄膜在1100℃热处理1小时前后的光致发光谱（PL）。从图中可以看出：对未经过热处理的膜，其荧光峰位在620nm，热处理后峰位移动到720nm左右。前者是SiOx薄膜中缺陷所发的光光，而后者是纳米晶发射的荧光。

荧光谱随热处理温度演变的情况如图3所示。对未经过热处理的膜和热处理温度（Ta）低于900℃时，荧光谱峰位于620nm处，随着热处理温度的升高，荧光峰的强度先增强，500℃热处理后达到最大值；然后逐渐减弱，热处理温度为900℃时只有微弱的荧光。

3 结论

本文通过在同一衬底材料上制备Si，SiO，多层结构的方法，首先得出了采用多层结构的方法可以大大的提高Si—nc的光致发光，其次，本实验还采用不同的退火温度来研究Si—nc的光致发光强度，得出了提高Si—nc的光致发光的最佳退火温度。

基金项目：贵州民族大学2012年科研基金资助项目

参考文献：

[1]Y C Fang ， W Q Li ， Photoluminescence from SiOx thin films：effects of film thickness and annealing temperature[J] ，Nanotechnology 15 （2004）494—500.

[2]Hadjisavvas， G. & Kelires， P. C. Structure and energetics of Si nanocrystals embedded in a—SiO2[J].Phys. Rev. Lett. 93， 226104 （2004）.

[3]L.T.Canham，Silincon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers[J]， Appl.phys.Lett. 57（10），3 September 1990.

[4]David J.Lockwood， Light emission in silicon nanostructures[J]， J Mater Sci：Mater Electron（2009）20：S235—S244.

[5]V Osinniy， S Lysgaard， Vl Kolkovsky， V Pankratov andA Nylandsted Larsen，Vertical charge—carrier transport in Si nanocrystal/SiO2 multilayer structures[J]， Nanotechnology 20 （2009）195—201.