吴雪梅[1]2002年在《金属和半导体颗粒复合硅基薄膜的结构及发光特性的研究》文中认为光电子信息材料是本世纪最受关注的材料之一，光电子集成器件在信息时代有极其重要的作用。由于硅的平面集成工艺已相当成熟，所以从工艺兼容性考虑，用硅基材料作为发光器件将是最佳的选择，而其获得应用的关键是提高发光效率。我们利用双离子束共溅射和射频磁控共溅射技术制备了一系列含有半导体Si、Ge颗粒及金属颗粒Al的薄膜，即Si-SiO_2薄膜、Ge-SiO_2薄膜和Al-Si-SiO_2薄膜，分别对它们的结构、光吸收以及发光性质进行了研究。一．利用双离子束溅射沉积技术，通过共溅射方法制备了Si-SiO_2薄膜，研究了沉积时间、工作气压P_(Ar)、基片温度等对沉积速率的影响，用TEM和XRD分析了样品的结构。当温度较低时(沉积时的基片温度Ts＜450℃，后处理退火温度Ta＜800℃时，制备的样品均为非晶结构，当温度较高时(Ts≥450℃，Ta≥800℃)薄膜样品中才出现Si的结晶颗粒。利用射频磁控溅射技术制备了Ge-SiO_2样品，当退火温度T_a＜600℃时，样品无明显晶态衍射峰；随着退火温度从600℃升高至800℃、1000℃时，样品中开始有晶粒出现，样品中Ge纳米晶粒平均尺寸从3.9nm增大到4.7nm、6.1nm。XPS结果表明：经低温退火的薄膜中含有较多的GeO_2和较少的Ge、Ge_2O_3与GeO，提高退火温度，样品中GeO_2、Ge_2O_3减少而单质Ge增加，而GeO含量和SiO含量，则为先增加后急剧减少。利用双离子束共溅射法所制备的Al-Si-SiO_2薄膜样品中，掺入的Al和Si主要是以单质Al和SiO_2的形式存在。二．光吸收特性研究表明，因量子限域效应，对于Ge-SiO_2薄膜观察到较强的光吸收和光吸收边随Ge颗粒尺寸变小而蓝移的现象。对于Si-SiO_2薄膜和Al-Si-SiO_2复合薄膜，其吸收边与块状Si晶体的吸收边相比也发生了不同程度的蓝移，蓝移量与样品制备参量有关。通过与Ge-SiO_2薄膜的吸收曲线及光学带隙的对比，可估计其能隙在1.5-2.8eV之间，这可能是由于样品内存在大量的缺陷余属和半导体颗粒复合硅基薄膜的结构及发光特性的研究‘一户文摘要或杂质，以及极少量的Si颗粒团簇，而它们的载流子受到限域效应的作用，从而造成了样品能隙的展宽和吸收边的蓝移。 叁根据Pl谱，分析了Si一510:薄膜样品的室温光致发光现象，样品有一320，翻，一410nm，一56Onm和一630nm四个PL峰，它们的PL峰是相互分离的。样品的32Onm和41OIml的PL发光峰来源于材料中的中性氧空位缺陷;560nln的光来自于Si一510:膜中大量siox(x<2)相的存在所产生的大量缺陷;63Onm的发光可能与样品中的NBOHC(非桥氧空位缺陷)有关，作为一个富氧的缺陷中心它必定是弱而不稳定的。 对于Ge一510:薄膜在室温下能观测到394nm的紫光发射，经退火处理后能观测到58Onln的黄光发射。测试分析表明，紫光由GeO缺陷引起，黄光和Ge纳米晶粒的出现相联系，可能来源于Gc纳米晶粒与510:基质界面处的缺陷，吕e一510:薄膜样品的PL峰位只与发光中心相关。 通过研究发现，Al一Si一510:薄膜存在叁个相互分立的发光中心，分别位于37Onm，4lonm，slonm。这叁个PL峰中除410nm与51一510:薄膜的PL峰相同外，又多出了37Onnl和slonm两个PL峰，并且510nm峰是主要的发光峰。PLE结果表明，37Onm和410nm的Pl，峰与样品中的氧空位缺陷有关，而510nm的PL峰则是由于铝的掺入改变了样品中的缺陷状态所致，是Al、si、O共同而复杂的作用结果。 四.用不同的方法制备的51一5102薄膜、Ge一510:薄膜和Al一51一5102薄膜，在较低的电压万均观察到了室温可见电致发光现象，峰位都在510nm左右，其峰位不因薄膜样品内所含颗粒的种类、薄膜的制备方法、偏压及后处理的影响，表明电致发光主要来源于电子和空穴在510、基质中的发光中心的辐射复合发光。讨论了光致发光和电致发光存在差异的原因。实验发现，当薄膜中掺入金属颗粒铝时，薄膜的发光效率得以提高，并且随着铝含量的增加，薄膜的发光效率亦相应增强。表明A1的掺入尽管未改变发光中心的结构但却有助于改善薄膜的导电状态，增加了发光中心，从而提高了薄膜的发光效率。
俞波[2]2002年在《硅基薄膜材料的发光特性》文中提出硅是微电子器件的主要材料，但硅的间接能隙特性严重制约了其在光电子领域的应用，如果能在硅基材料的基础上制备发光材料，就可利用已有成熟的硅集成技术发展硅光电子集成，从而有可能完全改变信息技术的面貌。因而探索并改善硅基材料发光特性的研究一直是深受关注的课题。 硅基发光材料的研究近年来已取得重要进展。归纳起来，其发光机制以量子限制效应和发光中心两种模型为主；但就报道的结果而言，材料的发光特性都严重地依赖于样品的制备工艺过程，经不同的工艺过程制备的样品，其发光特性差别甚大。对制备方法及其工艺参数对薄膜荧光特性影响的研究，不仅可以进一步澄清各荧光带的起因，而且也是提高材料发光性能的重要途径。 本课题围绕薄膜的发光特性和发射机制，主要着眼于硅基薄膜发光特性和氧、氮掺杂对薄膜荧光特性的影响。通过PECVD和溅射方法制备薄膜，研究了氧、氮含量及沉积时基片温度对薄膜微结构及其发光特性的影响；采用球磨与溶胶-凝胶化学方法结合制备了纳米硅粉以及纳米Si／SiO_2复合薄膜，研究其结构和发光性能，探索了采用该方法制备纳米镶嵌复合薄膜的可能性。实验结果表明：掺杂薄膜在可见及紫外范围内存在一系列强荧光发射带。结合实验结果，分析并讨论了有关荧光发射机制。 在PECVD法制备的a-SiHxOy薄膜中观察到300-570nm强荧光辐射带，并发现其中心位置随着氧含量的增加而红移。通过PECVD法与放电等离子体氧化技术结合获得了主峰位于蓝光波段的荧光带，而且具有分立峰结构，其结果直接证明了蓝光发射与缺陷能级有关，起源于Si-O结合特定组态而形成的发光中心。在a-SiOxNy薄膜中，观察到了250-400nm和650-700nm两个荧光带，并首次发现中心位于370nm和730nm的两组分立荧光峰。分立峰强度随薄膜中的氮含量增加而升高，荧光带中心位置受到氧、氮含量的影响，分析表明其荧光起源于Si-O和N-Si-O等复合缺陷组态能级间的辐射跃迁。 通过与溅射法制备薄膜的结果对比表明：荧光特性不受薄膜中氢含量的影响，但不同方法制备薄膜的荧光特性具有较大差别。在溅射法制备的薄膜中，除 汕头大学硕士学位论文相应的荧光发射带外，在绿光部分出现了两个较强的新带，其强度随薄膜氮含量增加而升高，而且各带的荧光强度严重地受沉积时基片温度的影响。当基片温度为750OC时，中等氧、氮掺杂可获得强的绿光和紫光发射。 采用球磨与溶胶－凝胶法结合制备了SIOZ镶嵌纳米出复合薄膜，发现位于刀On附近的红光发射带受纳米颗粒界面的影响，说明起源于硅纳米颗粒的红光发射依赖于界面特性。 综上所述，通过氧、氮掺杂，在硅基薄膜中可获得近紫外及紫、蓝、绿和红等波段的强荧光，荧光强度取决于制备工艺方法及工艺参数。就发光机制而言，除红光宽带外，均起源于氧、氮掺杂引起的缺陷发光中心，发光中心受杂质组态影响，红光宽带可能联系到量子限制效应，同时还依赖于界面特性。
汤乃云[3]2001年在《硅基薄膜中金属颗粒对发光特性的影响》文中研究指明采用双离子束溅射技术，通过对由Si、SiO_2以及Al、Si和SiO_2组成的复合靶的溅射制备出Si-SiO_2以及Al-Si-SiO_2薄膜。其中铝、硅在薄膜中的含量可分别通过改变靶面上铝、硅所占的表面积来调节。通过对上述薄膜的PL、PLE以及EL的分析，研究了此头薄膜中所存在的缺陷及发光中心，以及结构对发光的影响。着重讨论了掺铝对薄膜电致发光的启动电压、发光强度、发光效率的影响。 用XRD，TEM，XPS等测试手段对薄膜的成分、元素的化学状态、晶体结构以及形貌等进行了分析测试。当薄膜沉积的基片温度较低时，薄膜呈现非晶结构，薄膜中的铝主要是以单质铝的团簇形式存在于非晶的SiO_x(X＜2)中，而多余的硅则以单质或低价氧化物的形式存在于膜中。 对薄膜进行了PL和PLE谱的测量。研究了薄膜中的缺陷状态和发光中心。发现了PLE谱与PL谱间的Stokes位移，且对不同PL谱峰其位移也不相同，表明了其发光过程的不同。分析认为至少有两种不同的发光机理同时存在。 对薄膜进行了乩谱的测量。发现了Si-SiO_2薄膜和Al-Si-SiO_2薄膜均存在很强的峰位在510nm的电致发光(EL)谱峰。我们认为该谱峰来自于SiO_x中某种缺陷所形成的发光中心。与不掺铝的Si-SiO_2薄膜相比，Al-Si-SiO_2薄膜的EL谱的有叁大特点：(1)EL谱的启动电压明显下降；(2)样品的发光强度、发光效率均显着增加；(3)而即使在反向电压下也能获得EL的发光谱。结果表明在硅基薄膜中掺入适量的金属(例如：铝)，并使其以团簇的形式均匀弥散在薄膜中，有可能既不改变薄膜的发光中心，又可大大提高其发光效率。这为该类发光薄膜走向实用化提供了一条较为实用的途径。
夏磊[4]2007年在《常压等离子化学气相沉积制备纳米多孔硅基薄膜的过程和特性研究》文中研究指明本文中主要阐述了通过常压介质阻挡放电等离子体化学气相沉积(APECVD)方法，利用硅烷(SiH_4)为硅源，与氩气(Ar)、氢气(H_2)按照一定配比混合，在不同的反应条件下进行气相沉积反应，并通过引入脉冲负偏压调节薄膜的微观结构、形态和性能，制备了带有新颖结构和特殊蓝紫光发光特性的硅基薄膜。本实验中所采用的实验装置为自行设计组装的常压介质阻挡放电装置，并配合以混合气路。该PECVD在制备薄膜上有着：放电形式简单，设备成本较之低气压等离子体设备大大降低；自行设计的交叉梳状式立体电极，耗能较低，并且产生的等离子体区域稳定均匀，所形成的气体通道利于反应气体充分均匀反应，达到较优的沉积效果。本常压等离子体介质阻挡放电为干法制备，更为符合光电子器件领域的要求，优于传统的电化学等众多湿法制备多孔硅的方法。在对介质阻挡放电参量进行的测定及分析的基础上对PECVD的等离子体薄膜制备过程进行了探讨。整个实验中，介质阻挡放电频率在30-40kHZ范围，电压值在6-12kV范围，放电功率值在2.6-4.0W范围。通过介质阻挡放电发射光谱与放电条件的关系，并对电子温度的加以测量计算，从机理上分析了放电条件和多孔硅基薄膜的沉积过程的关系。并且根据SiH_4分子因受电子碰撞发生离解过程所需的能量不同，可以推算出本实验方法产生的硅烷与氩等离子体中，硅烷有不同程度的裂解。对本法制备的硅基薄膜进行了表征。通过SEM测试结果发现了硅烷流量和衬底偏压对薄膜的表面形貌的形成都有着直接的影响。发现Ar：H_2：SiH_4=7.5L／min：30ml／min：15ml／min下大大减少了团聚情况，薄膜更为均匀。并且随着偏压的引入，使得硅基薄膜的表面形态和结构由颗粒团聚转变为纳米絮状多孔结构，并且随着偏压的增加，硅线尺度逐渐变小，并且多孔结构越加明显。采用了正电子湮没技术对多孔硅基薄膜进行了研究。发现在偏压条件下，较好地减少了缺陷类型，并可近似地认为只有一种缺陷类型，消除了不少点缺陷类型，为制备较高质量的硅基薄膜提供了重要的作用。同时通过对其S参数的分析证实了薄膜呈现出来明显的多孔结构，并且孔隙较大，这与SEM观测结果完全符合。EDS对其化学成分进行了证实，同时通过FTIR指认了红外特征峰，并研究了放电功率以及偏压对红外谱的影响，结果表明，薄膜存在Si-O-Si结构，且随放电功率增加，Si-O-Si特征峰强度增大。通过XPS我们确定了该硅基薄膜中含有的叁种主要的不同价态的硅，分别为Si~0，Si~(2+)和Si~(3+)，其中Si~(2+)的百分比含量最高，其次是Si~(3+)。对纳米多孔硅基薄膜的光致荧光进行了分析。发现，该多孔硅基薄膜的光致发光的谱线带主要集中与蓝紫光区，主峰值在400nm附近，并且峰较窄，从430nm起存有较明显的宽峰谱带，据此判断，此光致荧光现象有多种不同产生机理同时存在。对发光谱图进行了高斯拟合分峰。结果发现，该光致发光谱基本上可以用峰位在3.15eV(393nm)，2.71eV(457nm)和2.31eV(535nm)的叁条高斯曲线完美拟合，表征了该薄膜可能存在若干种发光机制。对应于SEM的表面结构的结果，我们也研究了偏压对发光强度的影响。发现随着偏压的增加，薄膜的发光强度也有着明显地增加。由此判断，微纳米级硅丝所组成的絮状多孔结构，与光致发光之间有着必然的联系。对此薄膜的发光强度随时间的变化的研究，表明该薄膜的光致发光有着较好的时效性。最后我们也对该薄膜的发光机理进行了初步的分析和探讨，认为，该发光主要是由于量子限域效应和氧缺陷所引起。
梁昌振[5]2004年在《硅基薄膜的结构与光学性质》文中研究表明光电子信息材料是本世纪最受关注的材料之一，光电子集成器件在信息时代有极其重要的作用。由于硅的平面集成工艺已相当成熟，所以从工艺兼容性考虑，用硅基材料作为发光器件将是最佳的选择。 本论文采用射频磁控溅射方法制备了Si-SiO_2薄膜、Ge-SiO_2薄膜以及相应的掺Al的Si-SiO_2薄膜和Ge-SiO_2薄膜，采用XPS、XRD、FTIR、TEM对薄膜的结构和组分进行了表征。 测量了样品的光吸收谱，结合样品的结构对光吸收特性进行深入的研究。我们发现Ge-SiO_2薄膜由于量子限域等原因观察到较强的光吸收和光吸收随Ge颗粒尺寸变小而蓝移的现象。采用量子限域模型所作的纳米Ge颗粒中电子能隙的理论计算值大于实验值，且在小尺寸情况下偏离很大，而用介电限域模型的计算结果小于实验值，但在小尺寸情况下，这种差异没有明显变化。结果表明，在这种体系中量子限域效应与介电效应同时存在，并给出了相应的分析讨论。 对于S--SiO_2、Al-Ge-SiO_2和Al-Si-SiO_2非晶薄膜，其吸收边与块状Si晶体的吸收边相比也发生了不同程度的蓝移，通过与Ge-SiO_2膜的吸收曲线及光学带隙的对比，可估计其能隙在1.5-2.8eV之间，这可能是由于样品内存在大量的缺陷或杂质，以及广西大学硕士论文极少量的51颗粒团簇受到的限域效应造成了样品能隙的展宽和吸收边的蓝移。 测量了它们室温下的光致发光谱(PL)，结合光致发光激发谱(PL〔)和薄膜结构以及退火对发光峰位影响方面的分析，认为光发射均是通过薄膜基质中的发光中心实现的，有的发光也与类似纳米颗粒的原子团簇有关。掺A!的薄膜样品发光比其他未掺AI样品均强，而发光峰位没有明显变化，一方面说明掺入适量的金属(如AI)可以提高其发光强度;另一方面说明A!的掺入没有改变薄膜中的发光中心结构。
肖志松[6]2001年在《掺铒硅基薄膜的纳米结构与发光动力学研究》文中认为本文首次采用MEVVA离子源强束流离子注入的方法制备了高浓度掺Er单晶硅和纳米硅镶嵌热氧化硅薄膜,研究了两种薄膜的浓度分布、化学态、表面形貌、显微结构与物相,纳米硅在硅基薄膜中的形成过程,低温及室温下1.54μm附近的光致发光和发光动力学机制。主要研究结果如下: 1.研究了掺Er硅基薄膜的浓度分布和化学态。首次得到Er在硅基薄膜中掺杂浓度高达10~(21)cm~(-3)量级,在单晶硅和热氧化硅中的最大体浓度分别为9.78×10~(21)和7.67x10~(21)cm~(-3),这是目前报导的最高掺杂浓度。小束流密度(≤10μA·cm~(-2))、小注量(≤5×10~(16)cm~(-2))的Er注入单晶硅时,Er大部分以固溶态形式存在。当束流密度过大(>10μA·cm~(-2)),即使小注量注入时,也将有一定量的Er析出。Er在小束流密度(≤5μA·cm~(-2))、较大注量(≥1×10~(17) cm~(-2))注入时,会有少量Er偏析和ErSi_2相形成,但大部分Er仍以固溶态形式存在。(Si,Er)双注入热氧化硅中,Si有叁种存在形式:晶体Si、SiO_2和SiO_x。叁者之间的比例由注入和退火条件决定。随着SiO_2氧化膜厚度的增大,过剩Si的浓度下降:随着Si注量增大,Si在氧化膜中含量随之增加,退火后表层Er偏析现象明显。 2.研究了掺Er硅基薄膜的表面形貌、显微结构和物相。在Er注入单晶硅中,随着Er注量增大,Er析出量增多:900℃退火后表面形貌仍未改变;退火1000℃后Si开始形核,但生长速率为主导;退火1100℃时,形核速率为主导,样品表面形成了Si的纳米级针状结构。首次观察到(Si,Er)双注入热氧化硅薄膜中形成了纳米Si晶粒,平均直径约为4.8nm。在大束流Si离子注入过程中,纳米晶Si可在缺陷处成核,也可以通过热峰效应成核,且纳米Si成核主要发生在1100℃快速退火阶段。随着退火温度升高,可以使Si的结晶性能提高,但温度过高也会使再结晶表面出现大量的孔洞:随着热氧化SiO_2膜增厚,Si的结晶性能提高,Er析出和铒硅化物减少;随着Er注量增加,会有少量Er析出和硅化物形成;随着Si注量增加,样品表面产生了严重的辐照损伤,即使通过退火已经无法得到有效恢复,表面的Si颗粒由纳米级变成微米级。 3.测量了77K和室温时掺Er硅基薄膜的近红外1.54μm附近的光致发光光谱。掺Er硅在Er大注量(≥1×10~(17) cm(-2))注入时发光猝灭;采用小束流注入可较好地防止高浓度掺杂下的发光猝灭;1000℃快速退火,可以获得较好发光强度与峰形,由于发光的温度猝灭,未观察到掺Er硅室温的1.54μm光发射;在掺Er纳米Si镶嵌SiO_2薄膜的发光光谱中,随SiO_2膜的厚度增加,发光强度增强,要获得最佳的发光强度必须使SiO_2层的厚度至少大于Si和Er离子的投影射程。退火温度与Er~(3+)发
肖虹[7]2009年在《磁控溅射法制备硅基薄膜的结构与性质研究》文中研究说明纳米硅基薄膜材料有许多不同于单晶硅的结构、光学以及光电性能,它在发光器件、光探测器件、光电集成器件以及传感器等领域有着广阔的应用前景。如果能够使硅基薄膜材料在可见光范围内具有良好的发光特性,那么这种重要的薄膜材料则有可能在飞速发展的光电子学中成为下一代电子学革命的基础材料。本论文研究的目标是用磁控溅射法制备硅基薄膜,研究其溅射的工艺参数以及退火温度对制备硅基薄膜厚度、微结构以及发光性能的影响,研究的结果不但有利于确定制备特定结构的硅基薄膜,而且亦有利于其发光机理的进一步探索。本文在综合评述硅基薄膜材料的研究进展基础上,采用磁控溅射技术在Si(111)基片上制备了不同工艺参数的Ge/Si多层薄膜、Si/SiO_2超晶格、富Sn的SiO_2复合薄膜材料,随后在氩气保护下对薄膜样品进行高温退火处理。采用Raman散射、x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)等检测设备和技术研究了制备的工艺参数对Ge/Si多层薄膜、Si/SiO_2超晶格、富Sn的SiO_2复合薄膜成分、相结构、表面形貌以及发光性能等的影响。在常温下沉积的Ge/Si多层薄膜为非晶结构,然而在衬底温度为300℃下沉积的薄膜已经形成了晶体结构。Si层溅射功率为100 W的薄膜表面致密平整,颗粒尺寸大小约为25 nm。当Ge/Si多层薄膜在500℃退火后,由于Ge层与Si层相互扩散渗透,Ge/Si多层薄膜转化成GeSi合金。但退火温度升高到800℃时,薄膜各层晶体质量均已得到改善,Ge原子可能已经扩散移动到界面形成间隙原子,形成了Ge纳米晶和Si纳米晶,此时Ge/Si多层膜的结构完整性较好。原生沉积的Si/SiO_2超晶格中Si子层为非晶结构,只有在退火温度高达1100℃时,硅晶化部分才急剧增加,由非晶态开始固相晶化并析出晶粒形成硅纳米晶体(nc-Si)/SiO_2超晶格结构。随着退火温度的升高,超晶格结构中的颗粒平均直径增大,晶体的结晶质量也随之提高。低功率下沉积的Si/SiO_2超晶格薄膜表面非常平整致密,晶粒尺寸分布比较均匀,大小约为20 nm。在室温下观察到了Si/SiO_2超晶格可见光致发光现象,退火前后所有的样品都出现了779 nm的PL峰,并当Si子层厚度发生改变时其峰位没有移动,其发光机理归结为纳米晶体(nc-Si)/SiO_2界面处Si=O局域态引起的缺陷辐射复合发光。而当超晶格样品在1100℃退火后,PL谱上才出现位于660 nm附近的发光峰,其峰位随Si子层厚度的减小而发生蓝移,符合用量子限制效应解释的发光模型。镶嵌在SiO_2基质中的Sn纳米晶复合薄膜表面致密光滑,颗粒尺寸大小均匀,随着退火温度的升高,颗粒尺寸从30 nm(500℃)增大到50 nm(700℃)。在高温退火的最初阶段Sn原子析出到有限数量的成核点上,然后随着退火温度的进一步升高,Sn原子在体内扩散逐渐聚集形成大的纳米晶颗粒。薄膜在室温下能观测到位于336nm的发光峰,经600℃高温退火处理后能观测到400 nm附近的光发射。经分析表明,位于336 nm处的发光是由于缺陷、纳米晶颗粒与氧空位相关的缺陷层或来自SnO外壳包裹Sn纳米晶颗粒造成的Sn空隙缺陷等。而位于400 nm附近的发光峰峰位随退火温度升高而红移,起源于镶嵌在SiO_2薄膜中的纳米β-Sn晶粒的量子限制效应。
陆梅君[8]2003年在《硅基薄膜中半导体颗粒的形成机理及其相关物性》文中提出由于传统的硅的生产技术已经很成熟，所以在光电集成中，依然采用晶体硅作为基底，继续沿用高度发展的硅集成工艺。如果能够使硅基材料在可见光范围内具有良好的发光特性，那么这种重要的半导体材料则有可能在飞速发展的光电子学中成为下一代电子学革命的基础材料。本论文研究的目标是探讨半导体颗粒在硅基薄膜中的形成机理，研究的结果不但有利于确定制备特定结构的硅基薄膜，而且亦有利于其发光机理的进一步探索。 论文采用双离子束溅射和射频磁控溅射沉积技术，通过改变薄膜沉积过程中基片温度(T_s)以及薄膜制备完成后退火温度(T_a)分别制备了Si-SiO_2和Ge-SiO_2薄膜。运用XRD和TEM等手段对结构进行分析。 从溅射薄膜沉积时或退火处理时的薄膜中颗粒的热力学和动力学的角度以及是否存在化学反应对半导体颗粒的形成机理做了进一步的探讨。运用这些运动模型和反应形式可以对薄膜的结构差异做出解释。 最后对两种薄膜的光致发光特性进行了研究。
张晓伟[9]2012年在《利用能量共振转移过程增强稀土掺杂硅基薄膜材料荧光效率的研究》文中认为随着英特尔公司宣布22纳米芯片制造工艺开始投产,集成电路的器件尺寸不断缩小,逐渐接近其物理极限。将微纳电子器件与光子器件集成,实现硅基单片光电集成是当前的研究热点,而如何获得高效、稳定的硅基光源始终是实现硅基单片光电集成的关键课题。另一方面,开发廉价的太阳能电池是全世界科学家的研究热点问题。为了提高太阳能电池的效率,突破Shockley-Queisser理论极限,科学家们提出采用上下转换材料,进而充分利用太阳光谱,提高和拓宽电池的光谱响应特性。作为一类重要的硅基功能薄膜材料,硅基稀土掺杂半导体纳米材料同时具有稀土离子特殊的4f-4f跃迁机制和纳米晶体的局域限制效应。因此,它在硅基光电器件方面有着重要的应用前景。而如何提高硅基稀土掺杂半导体纳米材料的荧光效率则是当前一个颇受人们关注的研究课题,对这一类材料在硅基光电集成和高效率太阳能电池上的应用有着重要的意义。本论文以稀土与半导体纳米颗粒共掺硅基材料为研究对象。采用基于旋涂技术的溶胶-凝胶法制备了相关材料,探讨了不同掺杂浓度与不同退火温度,对于硅基半导体纳米材料结构的影响。在此基础上,通过对二氧化硅薄膜中共掺稀土Eu3+、Er3+，制备了稀土离子与半导体纳米材料共掺二氧化硅薄膜样品,进而研究了不同样品制备条件下稀土离子的荧光特性,利用共振能量转移机制有效地增强了稀土的荧光效率。本论文的主要研究内容与结果包括：1.利用溶胶-凝胶法制备了宽带隙的金属氧化物半导体纳米材料。采用XRD对样品进行了表征,证实二氧化硅薄膜中形成了四角金红石结构的Sn02和立方结构的ZnO纳米晶粒。根据TEM观测结果,纳米晶粒尺寸均一且在二氧化硅薄膜中均匀分布。通过调节掺杂浓度与退火温度的变化,可以很好地控制纳米晶粒的尺寸。通过荧光发射谱及激发谱的测试,研究了半导体纳米材料的氧空位缺陷发光及带间激发行为。2.在对金属氧化物半导体纳米颗粒研究的基础上,我们研究了稀土铕离子与氧化锡纳米颗粒共掺二氧化硅薄膜样品的制备及其荧光特性,在实验上发现随着Sn含量的升高和退火温度的升高,稀土铕离子特征发光强度逐渐增强,通过掺杂适当的氧化锡纳米颗粒,可以使得铕离子在613nm处的特征发光强度增强150倍。利用荧光发射谱等研究了稀土荧光增强的机制。证实了氧化锡表面缺陷与铕离子特征跃迁之间的共振能量传递过程是导致荧光增强的原因。另外,我们还发现随着退火温度的升高,铕离子来自电偶极跃迁和磁偶极跃迁的特征发光比率增大,结合变温发射谱的分析,证明这反映了铕离子在二氧化硅基质中与在氧化锡纳米晶粒中的不同占位。3.我们进一步研究了稀土铒离子与氧化锡纳米颗粒共掺二氧化硅薄膜的制备与能量共振转移引起的荧光增强现象。发现当Sn含量低于20mmo1%时,随着Sn含量的增加,能量传递效率增加,铒离子1540nm处的特征发光强度倍数逐渐增强到叁个数量级。当Sn含量高于20mo1%时,随着Sn含量的增加,氧化锡纳米颗粒尺寸逐渐增大,能量传递效率下降,从而导致铒离子特征发光减弱。通过对共掺样品荧光发射谱和激发谱的分析,发现了来自氧化锡缺陷和带隙的激发峰,证实了能量共振传递的机制。说明通过稀土离子和宽带隙氧化物纳米颗粒的共掺是提高稀土掺杂二氧化硅薄膜发光性能的一条可能的技术途径。
贾士利[10]2006年在《Si/SiC纳米复合薄膜与热蒸发法制备Si纳米线的研究》文中提出低维硅基纳米材料由于性能优越并且可以和现有的硅基平面工艺相兼容而具有很广泛的应用前景。本文对于两种低维硅基纳米材料——Si/SiC纳米复合薄膜和Si纳米线分别进行了制备方法、性能和机理的研究。通过射频交替溅射或共溅射的两种方式和后续的退火制备了Si纳米晶镶嵌在SiC基体中的Si/SiC纳米复合薄膜。交替溅射得到的多层膜结构的Si/SiC纳米复合薄膜在1200°C以上退火后出现了大约分别位于352 nm的紫外发射带和位于468 nm的蓝光发射带,并且随着退火温度的升高增强。高分辨透射电镜观察到Si纳米晶的形成,傅立叶红外吸收光谱显示形成了Si-O-C键。分析认为位于468 nm的蓝光发射带是由于退火形成的Si纳米晶的量子限制效应导致的,而位于352 nm的紫外发射带是来自于退火形成的Si-O-C的复杂化合物。共溅射得到的薄膜在退火后出现了紫外发光峰,推测也有可能是由于退火形成的Si-O-C键导致的。Si纳米线是通过对把单晶硅片封闭在一个小区域中、高温常压、没有加催化剂下的情况下简单热蒸发制备得到的,Si纳米线长度达到了毫米级别。高分辨透射电镜显示Si纳米线芯部为单晶外层有很薄的氧化层,直径约在10-30 nm之间。分析认为单晶硅片形成的Si-O层、封闭区域、高温和慢速冷却是Si纳米线生长的重要因素,提出了自诱导的气-液-固机制来解释它的生长机制,另外说明Si纳米线的生长催化剂并不是必需的。
参考文献：
[1]. 金属和半导体颗粒复合硅基薄膜的结构及发光特性的研究[D]. 吴雪梅. 苏州大学. 2002
[2]. 硅基薄膜材料的发光特性[D]. 俞波. 汕头大学. 2002
[3]. 硅基薄膜中金属颗粒对发光特性的影响[D]. 汤乃云. 苏州大学. 2001
[4]. 常压等离子化学气相沉积制备纳米多孔硅基薄膜的过程和特性研究[D]. 夏磊. 东华大学. 2007
[5]. 硅基薄膜的结构与光学性质[D]. 梁昌振. 广西大学. 2004
[6]. 掺铒硅基薄膜的纳米结构与发光动力学研究[D]. 肖志松. 北京师范大学. 2001
[7]. 磁控溅射法制备硅基薄膜的结构与性质研究[D]. 肖虹. 浙江师范大学. 2009
[8]. 硅基薄膜中半导体颗粒的形成机理及其相关物性[D]. 陆梅君. 苏州大学. 2003
[9]. 利用能量共振转移过程增强稀土掺杂硅基薄膜材料荧光效率的研究[D]. 张晓伟. 南京大学. 2012
[10]. Si/SiC纳米复合薄膜与热蒸发法制备Si纳米线的研究[D]. 贾士利. 天津大学. 2006
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