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提高硅的发光效率是实现硅基光电集成的前提,镶嵌在二氧化硅介质中的纳米晶硅(nc-Si:SiO<,2>)是实现硅发光的一条重要途径。本论文研究了硅纳米晶的制备及其光致发光(PL)性质,重点探讨了硅纳米晶的荧光增强,取得了以下成果:
1.进一步研究了稀土元素铈的三价离子(Ce3<3+>)在硅纳米晶荧光增强中的应用,首创了一种利用CeF<,3>双面掺杂结合氢钝化的方法,使nc-Si:SiO<,2>的PL得到高达14.6倍的增强。双面掺杂的方法使Ce<3+>在nc-Si:SiO<,2>中实现了前后对称的分布,优化了Ce<3+>的扩散使nc-Si:SiO<,2>的PL 增强了7.3倍。氢钝化不仅进一步增强了nc-Si:SiO<,2>的PL,而且证明了Ce<3+>在荧光增强中的作用并非是由于其对Si和SiO<,2>界面悬挂键的钝化,而是能量传递。
2.引入离子轰击的方法研究nc-Si:SiO<,2>的PL及某些物理性质。发现Ar<+>轰击引入的缺陷主要由氧空位缺陷组成,它们对激发光具有强烈的吸收和散射作用,使nc-Si:SiO<,2>的发光剧烈减弱,通过解迭轰击后样品的PL谱,得到硅纳米晶的谱线,发现其峰位呈周期性振荡变化,证实了硅纳米晶的大小在nc-Si:SiO<,2>薄膜中随深度的增加而减小。这一方法的另一意义在于它为在nc-Si:SiO<,2>中引入辐射增强扩散(RED)提供了实验依据。
3.应用多层SiO/SiO<,2>的结构,实现了硅纳米晶大小的可控性,提高了硅纳米晶在样品中的浓度,增强了nc-Si:SiO<,2>的PL,并将双面掺杂结合氢钝化的方法应用于多层nc-Si:SiO<,2>,使其PL进一步增强,达到单层nc-Si:SiO<,2>PL 的将近100倍。初步探索了在SiO<,2>基底和SrTiO<,3>基底上制备多层nc-Si:SiO<,2>,研究了其PL谱,为nc-Si:SiO<,2>在更广阔的领域得以应用打下了一定的基础。