提高硅量子點光致發(fā)光強(qiáng)度的方法研究

陳家榮

（貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

隨著人類社會對信息網(wǎng)絡(luò)的依賴逐漸增加，作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的光電信息產(chǎn)業(yè)逐漸成為科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)生活領(lǐng)域的重點，光電集成也成為繼微電子集成之后近20年來發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)。基于硅的光電集成技術(shù)對硅光源，硅基波導(dǎo)和硅基諧振腔提出了迫切的需求。在以往的研究中，科學(xué)家們在硅基波導(dǎo)和硅基諧振腔的研究中取得了突破性的進(jìn)展，而對于硅光源，由于硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶底和價帶頂不重合，在熒光產(chǎn)生過程中需要聲子參與，因此塊體硅的發(fā)光效率極低，限制了其在光學(xué)和光電子學(xué)中的應(yīng)用。然而，當(dāng)體硅的尺寸減小到納米尺寸時，動量的不確定性將增大，導(dǎo)帶底與價帶頂?shù)膭恿靠赡苡捎趧恿康膹浬?yīng)同一個k值，從而削弱了動量守恒的限制，即量子限制效應(yīng)較為顯著。此時，能帶和帶隙將發(fā)生顯著的變化，硅材料由間接帶隙半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)為直接帶隙半導(dǎo)體材料，因此硅材料在常溫下的發(fā)光成為可能，在過去十幾年的研究中，硅納米晶已經(jīng)成為制備硅光源的優(yōu)選材料。盡管硅基材料在制備、表征、調(diào)制等方面取得了重大的進(jìn)步，但實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的硅光源還需要進(jìn)一步的研究。

1 實驗

實驗中制備硅量子點采用單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)兩種方法，在本實驗中采用蒸鍍單層SiO薄膜的方法來制備硅量子點，具體制備步驟為：將純度為5N的SiO粉末放入鉬舟中，將鉬舟放入真空鍍膜機(jī)腔內(nèi)的電阻加熱電極上（SiO的熔點低，采用電阻加熱的方法進(jìn)行蒸鍍），當(dāng)腔內(nèi)氣壓達(dá)到5.5×10-4Pa時采用電阻加熱對SiO粉末進(jìn)行預(yù)加熱，其作用是將粉末內(nèi)殘余的氣體蒸發(fā)掉。除氣完成后待腔內(nèi)氣壓恢復(fù)到5.5×10-4Pa左右時，即可開始蒸鍍SiO薄膜，為了制備均勻致密的SiO薄膜，在制備過程中，其蒸鍍速率保持在0.7～0.9?/s。

將制備好的SiO薄膜取出后放入管式高溫退火爐內(nèi)進(jìn)行熱退火，其退火參數(shù)為：退火溫度為1100℃，退火時間為60 min，在退火的同時通入N2作為保護(hù)氣體，其流量為220 cm3/min（sscm）。在退火過程中發(fā)生如下相分離：

相分離完成后，即可得到包裹在SiO2中的硅量子點。

氫鈍化過程是指將制備好的硅量子點放入通有混合氣體（H2：N2=5%：95%）的退火爐中進(jìn)行熱處理。其中，氫鈍化的溫度為600℃，時間為30 min，混合氣體流量仍為220 sccm。

Ce3+摻雜過程：將適當(dāng)厚度的氟化鈰樣品（淬滅效應(yīng)——當(dāng)三價鈰離子的濃度過高時，Si-nc的光致發(fā)光強(qiáng)度不但沒有提高反而降低）使用電阻加熱的方法蒸鍍到硅量子點樣品表面，隨后放入退火爐中進(jìn)行500℃退火處理，退火過程中仍使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，使三價鈰離子進(jìn)入硅量子點樣品內(nèi)部。

圖1 H鈍化前后硅量子點的光致發(fā)光譜

2 結(jié)論

2.1 H鈍化提高硅納米晶的光致發(fā)光強(qiáng)度

按照上述實驗方法所描述的步驟，制備厚度110 nm的硅量子點薄膜，將制備好的硅量子點放入混合氣體中進(jìn)行H鈍化，得到如圖1所示的結(jié)果，從圖中可以得出：樣品通過H鈍化之后，其光致發(fā)光強(qiáng)度增加。其原因在于：鈍化過程中含有一個電子的氫離子與懸掛鍵的電子配對，減少了懸掛鍵數(shù)量，從而減少了其復(fù)合中心，其光致發(fā)光強(qiáng)度得到了提高。

2.2 Ce3+摻雜提高硅量子點的光致發(fā)光強(qiáng)度

采用電阻加熱的方法在厚度為110 nm的硅量子點薄膜上蒸鍍厚度為1 nm的氟化鈰，然后在退火爐中進(jìn)行熱退火，即可得到摻入Ce3+之后的硅量子點的光致發(fā)光譜，如圖2所示，從圖中可得出：摻入Ce3+之后硅量子點的發(fā)光強(qiáng)度增加，分析其原因在于：氟化鈰發(fā)光波長約在300～500nm左右，該發(fā)光波長與硅量子點的激發(fā)波長重疊，可以作為硅量子點的敏化劑，增大了硅量子點的吸收截面，所以其光致發(fā)光強(qiáng)度增加。

圖2 Ce3+摻雜前后硅量子點的光致發(fā)光譜

3 結(jié)語

文章主要研究了H鈍化和Ce3+摻雜對硅量子點光致發(fā)光強(qiáng)度的影響。H鈍化和Ce3+摻雜都可提高硅量子點的光致發(fā)光強(qiáng)度，但兩種方法提高強(qiáng)度的機(jī)理不同，H鈍化過程中氫離子與懸掛鍵飽和，減少了材料中的復(fù)合中心，所以發(fā)光強(qiáng)度得到了提高。Ce3+摻雜提高硅量子點的光致發(fā)光強(qiáng)度是由于Ce3+的發(fā)光波長可作為硅量子點的激發(fā)光波長，使得更多的硅量子點參與發(fā)光，所以其發(fā)光強(qiáng)度增加。