多孔硅量子点中的电子局域态

经过激光辐照和高温退火加工能够生成多孔硅样品,在650—780 nm处检测到很强的光致荧光（PL）峰,并且有明显的钉扎和增强效应.实验表明,这种PL发光的强度与样品受辐照和退火的时间短密切相关.通过第一性原理模拟计算发现,样品表面用SiO 双键和Si—O—Si桥键钝化,能隙中会出现电子局域态.激光辐照和高温退火的时间长短决定了样品表面SiO双键和Si—O—Si桥键的密度,而该密度正是影响多孔硅量子点中电子局域态生成的关键. 关键词： 多孔硅量子点 硅氧钝化键 电子局域态     

硅表面硅镱键合与量子级联结构的发光

用纳秒强激光脉冲制备了纳米硅和硅表面的硅镱键合结构,检测了纳米硅表面硅镱键合的发光特性,并对这种结构相应的光致发光(PL)和电致发光(EL)的动力学机理进行了研究。观察到纳米硅表面硅镱键合在700nm附近尖锐的强发光峰,结合第一性原理计算认为是硅镱键合在弯曲纳米硅表面的局域态发光;利用纳秒脉冲激光沉积技术(PLD)制备多晶硅薄膜,发现由硅镱界面的失配形成表面的突触,其上的硅镱键合产生带隙中的电子局域态,该局域态发光分布在1250~1650nm波长范围,有增强的EL发光;用PLD方法制备硅镱多层膜量子级联结构,测量到光通信窗口的多个发光峰,并观察到随膜层数增加且发光峰增多。     

退火氧化生成的硅锗低维结构的光致发光性质

用激光辐照辅助电化学刻蚀的方法加工硅锗薄膜样品,30min后,在样品表面形成了多孔状的结构,该结构在724nm处有很强的光致发光(PL)峰。将该多孔状结构的样品置于高温氧化炉中进行不同时间的退火氧化处理后,发现在不同的退火氧化条件下样品的PL光谱发生了明显的变化。通过分析,作者根据量子受限(QC)和量子限制-发光中心(QCLC)模型,建立了新的量子受限-晶体与氧化物界面态综合模型来解释样品PL发光的变化。     

退火工艺对含硅量子点SiC_x薄膜光谱特性的影响

采用磁控共溅射法并结合微波退火和快速光热退火工艺,在不同退火温度下制备了含硅量子点的富硅SiC_x薄膜。采用掠入射X射线衍射(GIXRD)、拉曼光谱和光致发光(PL)光谱技术对薄膜进行了表征,研究了退火工艺对薄膜中硅量子点数量、尺寸、晶化率以及发光峰的影响。结果表明:与快速光热退火相比,微波退火不但能降低硅量子点的形成温度(降低200℃),而且还能降低β-SiC量子点的形成温度(降低100℃);在相同退火温度下,微波退火制备的硅量子点的数量更多、晶化率更高、光致发光峰更强;采用1000℃温度的微波退火样品的硅量子点数量最多、尺寸最大(5.26nm)、晶化率最高(74.25%)、发光峰最强,说明微波退火能凝析出高质量的硅量子点。     

基于Si-rich SiNx/N-rich SiNy多层膜结构的量子点构筑及发光特性

利用等离子体增强化学气相沉积法制备Si-rich SiN_x/N-rich SiN_y多层膜,分别使用热退火和激光辐照技术对多层膜进行退火,以构筑三维限制、尺寸可控、有序的硅纳米晶.实验结果表明,经退火后,纳米硅晶粒在Si-rich SiN_x子层内形成,其尺寸可由Si-rich SiN_x子层厚度调控.实验还发现,激光辐照技术相比于热退火能更有效地改善多层膜的微结构,提高多层膜的晶化率,以激光技术诱导晶化的Si-rich SiN_x/N-rich SiN_y多层膜作为有源层构建电致发光器件,在室温下观察到了增强的电致可见发光,并且发光效率较退火前提高了40%以上. 关键词： 氮化硅 多层膜 限制结晶 纳米晶硅     

包含硅量子点的富硅SiNx 薄膜结构与发光特性

采用等离子体增强化学气相沉积法, 以NH₃与SiH₄为反应气体, n型单晶硅为衬底, 低温(220 ℃)沉积了富硅氮化硅(SiN_x)薄膜. 在N₂氛围中, 于500–1100 ℃ 范围内对样品进行了热退火处理. 采用Raman 光谱技术分析了薄膜内硅量子点的结晶情况, 结果表明, 当退火温度低于950 ℃时, 样品的晶化率低于18%, 而当退火温度升为1100 ℃, 晶化率增加至53%, 说明大部分硅量子点都由非晶态转变为晶态. 实验通过Fourier 变换红外吸收(FTIR)光谱检测了样品中各键的键合结构演变, 发现Si–N键和Si–H键随退火温度升高向高波数方向移动, 说明了薄膜内近化学计量比的氮化硅逐渐形成. 实验还通过光致发光(PL)光谱分析了各样品的发光特性, 发现各样品中均有5个发光峰, 讨论了它们的发光来源, 结合Raman光谱与FTIR光谱表明波长位于500–560 nm的绿光来源于硅量子点, 其他峰则来源于薄膜内的缺陷态. 研究了硅量子点的分布和尺寸对发光带移动的影响, 并根据PL峰位计算了硅量子点的尺寸, 其大小为1.6–3 nm, 具有良好的限域效应. 这些结果有助于制备尺寸不同的硅量子点和基于硅量子点光电器件的实现. 关键词： 硅量子点 氮化硅薄膜 光致发光 Fourier 变换红外吸收     

不同气体氛围下硅量子点的结构及其发光机理

纳秒脉冲激光在氮气、氧气和空气等不同氛围中加工出的硅量子点都有光致荧光(PL)的发光增强效应,并且在700 nm波长附近观察到了受激辐射.在不同氛围下生成的样品有几乎相同的PL光谱分布,其原因是不同氛围下加工出的样品带隙中有相同的电子态分布.计算结果显示:当硅量子点表面被氮或氧钝化后,在带隙中能够形成几乎相同的局域电子态,这种局域电子态可以俘获来自导带的电子,从而形成亚稳态,这是PL发光增强乃至产生受激辐射的关键因素. 关键词： 硅量子点 PL光谱 发光增强 电子局域态     

脉冲功率对含硅量子点SiCx薄膜物相结构及光谱特性的影响

基于硅量子点（Si-QDs）的全硅叠层太阳电池被认为是最有潜质的高效太阳电池之一。目前所报道的硅量子点薄膜存在硅量子点数密度低、缺陷多等问题,限制了硅量子点太阳电池的光电转换效率。微波退火(microwave annealing, MWA)被认为是一种有益于制备纳米结构材料的方法。微波退火的非热效应可以降低形核能,改善薄膜的微结构和光电性能。因此,采用磁控共溅射技术并结合微波退火工艺,在不同的脉冲功率下制备了含硅量子点SiC_x薄膜;采用掠入射X射线衍射(GIXRD)、拉曼(Raman)光谱、紫外-可见-近红外分光光度计和光致发光(PL)光谱表征薄膜的物相结构及光谱特性;研究不同脉冲功率对硅量子点数密度和性能的影响,进而改进磁控共溅射工艺,制备硅量子点数密度较高和性能良好的薄膜。样品的GIXRD谱和Raman谱均显示其中存在硅量子点,其强度先增大后减小;通过谢乐(Scherrer)公式估算出硅量子点尺寸呈现先增大后减小的规律,脉冲功率为80 W时尺寸达到最大(8.0 nm）。在Raman光谱中还观察到中心位于511 cm-1处出现硅量子点Si-Si横向光学振动模式的拉曼峰,其强度也呈现先增大后减小的趋势;对拉曼光谱做最佳高斯(Gauss)分峰拟合,得出薄膜的晶化率均高于62.58%,脉冲功率为80 W时制备的薄膜具有最高的晶化率(79.29%)。上述分析表明薄膜中均有硅量子点的形成,且数量先增加后减小,脉冲功率为80 W时硅量子点数量最多。通过测量样品的透射率T、反射率R等光学参数,利用Tauc公式估算出薄膜的光学带隙,发现带隙值随溅射功率的增加先减小后增大,在脉冲功率为80 W时最小(1.72 eV)。硅量子点尺寸与光学带隙成反比,说明薄膜中的硅量子点具有良好的量子尺寸效应。通过PL光谱分析样品的发光特性,对其做最佳高斯拟合,发现样品中均有6个发光峰。结合Raman光谱的分析结果,可以得出波长位于463~624 nm的发光峰源于硅量子点的作用;而波长位于408和430 nm的发光峰则源于薄膜内部的缺陷态,峰位没有偏移,但强度有变化。根据发光峰对应的波长可计算其能带分布,从而确定缺陷态类型：408 nm的发光峰归因于≡Si°→E_v电子辐射跃迁,430 nm的发光峰则归因于≡Si°→≡Si-Si≡的缺陷态发光。还研究了硅量子点的尺寸对发光峰移动的影响。结果表明,随硅量子点尺寸变小（大）,发光峰蓝移（红移）。综上,溅射功率为80 W时制备的含硅量子点SiC_x薄膜性能最佳。研究结果为硅量子点太阳电池的后续研究奠定了基础。     

用MEVVA低能离子注入制备表层SiC/Si异质结构及其室温的光致发光特性

利用金属蒸汽真空弧离子源（MEVVA）进行离子束合成,制备了过剂量C^＋离子注入到单晶硅衬底的样品。然后利用热退火,在表层制备了连续8-SiC层,形成表层SiC／Si的异质结构。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其成键特征和微结构进行了分析,通过光电子能谱分析（XPS）和原子力显微镜（AFM）分析了样品的成分分布及其表面形貌。最后对其室温下的光致发光特性随热退火的时间和温度的变化进行了研究。结果表明：光致发光谱（PL）表现出430,560nm两个发光峰,分别对应于纳米碳化硅和块状立方碳化硅发光的特征峰。我们认为小颗粒的晶化碳化硅的尺寸及其相对比例对PL发光峰位和强度有较大的影响,用纳米晶粒量子效应（NSUQC）理论和表面态理论对发光现象及其变化规律进行了初步的解释。     

不同退火温度下晶化硅薄膜的电学输运性质

采用等离子体化学气相沉积技术制备氢化非晶硅薄膜,经过不同温度下的热退火处理,使薄膜由非晶结构向晶化结构转变,得到含有纳米晶粒的晶化硅薄膜.在晶化过程中,采用Raman技术对样品的结构进行表征.通过变温电导率的测试,对薄膜的电学输运性质进行了分析.研究结果表明：退火温度为700 ℃时,样品中开始有纳米晶形成,随着退火温度的增加,样品的晶化比增大,在1000 ℃时,薄膜的晶化比达到90%以上.在700 ℃退火时,薄膜中晶化成分较低,载流子的传输特性主要受到与硅悬挂键有关的缺陷态影响,表现为带尾定域态的跳跃电导 关键词： 氢化非晶硅 退火 纳米硅 电输运     

Fabrication of nc-Si/SiO2 structure by thermal oxidation method and its luminescence characteristics

Nano-crystalline silicon/silicon oxide （nc-Si/SiO2） structures have been prepared from amorphous silicon films on both silicon and quartz substrates by using electron-beam evaporation approach and annealing at temperatures about 600 ℃ in air. As a thermal oxidation procedure, the annealing treatment is not only a crystallization process but also an oxidation process. Scanning electron microscopy is employed to characterize the surface morphology of the nc-Si/SiO2 layers. Transmission electron microscopy study shows the sizes of nc-Si grains on the two different substrates. The nc-Si/SiO2 structures exhibit visible luminescence at room temperature as confirmed by photoluminescence spectroscopy. Comparing the photoluminescence spectra of different samples, our results agree with the quantum confinement-luminescence center model.     

Localized electronic states in gaps on hole-net structures of silicon

Hole-net structure silicon is fabricated by laser irradiation and annealing, on which a photoluminescence (PL) band in a the region of 650--750~nm is pinned and its intensity increases obviously after oxidation. It is found that the PL intensity changes with both laser irradiation time and annealing time. Calculations show that some localized states appear in the band gap of the smaller nanocrystal when Si=O bonds or Si--O--Si bonds are passivated on the surface. It is discovered that the density and the number of Si=O bonds or Si--O--Si bonds related to both the irradiation time and the annealing time obviously affect the generation of the localized gap states of hole-net silicon, by which the production of stimulated emission through controlling oxidation time can be explained.     

脉冲激光辐照单晶硅形成的低维结构及其光致荧光特性

 将功率密度约为0.5 J·s^-1·cm^-2、脉冲宽度约为8 ns、束斑直径为0.045 mm、波长为1 064 nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔,在孔内的侧壁上形成较规则的网孔状结构;该结构有很强的光致荧光,其强度比该样品的瑞利散射强;发光峰中心约在700 nm处。在无氧化的环境里用激光加工出的硅样品几乎无发光,这证实了氧在光致荧光增强上起着重要作用。用冷等离子体波模型来解释孔侧壁网孔状结构形成的机理,并用量子受限-发光中心模型来解释纳米网孔壁结构的强荧光效应。当激光辐照时间为9 s时,孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定,且有较强的光致荧光。     

脉冲激光退火纳米碳化硅的光致发光

采用XeCl准分子脉冲激光退火技术制备了纳米晶态碳化硅薄膜(nc-SiC),并对薄膜的光致发光(PL)特性进行了分析。结果表明,纳米SiC薄膜的光致发光表现为300～600 nm范围内的较宽发光谱带,随退火激光能量密度的增加,nc-SiC薄膜398 nm附近的发光峰相对强度增加,而470 nm附近发光峰相对减小。根据nc-SiC薄膜的结构特性变化, 认为这两个发光峰分别来源于6H-SiC导带到价带间的复合发光和缺陷态发光,并且这两种发光过程存在竞争。     

Ultrashort laser-pulse annealing of hydrogenated amorphous silicon

Crystallization of hydrogenated amorphous silicon (a-SI:H) has been initiated using ultrashort laser-pulse train annealing. Optical microscopy, infrared absorption, Raman spectroscopy and photoluminescence measurements show that in our experiment the crystallized layer is localized on the surface and is non-epitaxial. The depth of the crystalline layer and its surface morphology are discussed. A sharp luminescence band at 0.970 eV with fine structure is found after laser annealing and is identified as a recombination center similar to irradiation induced defects in crystalline Si.     

脉冲激光晶化超薄非晶硅膜的分子动力学研究

利用准分子脉冲激光晶化非晶硅薄膜是制备高密度尺寸可控的硅基纳米结构的有效方法之一.本文将脉冲激光对非晶硅超薄膜的影响处理为热传导问题,采用了基于Tersoff势函数的分子动力学方法模拟了在非晶氮化硅衬底上2.7 nm超薄非晶硅膜的脉冲激光晶化过程.研究了不同激光能量对非晶硅薄膜晶化形成纳米硅的影响,发现在合适的激光能量窗口下,可以获得高密度尺寸可控的纳米硅薄膜,进而模拟了在此能量作用下非晶硅膜中成核与生长的机理与微观过程,并对晶化所获得的纳米硅薄膜的微结构进行了分析. 关键词： 非晶硅 分子动力学 脉冲激光晶化     

Influence of successive electron and laser irradiation on the photoluminescence of porous silicon

The influence of electron irradiation on the light-emitting properties of p-and n-type porous silicon prepared by electrochemical etching is investigated. The dose and energy dependences of the electron-stimulated quenching of the photoluminescence (PL) are determined. It is shown that electron treatment of a porous silicon surface followed by prolonged storage in air can be used to stabilize the PL. The excitation of photoluminescence by a UV laser acting on sections of porous silicon samples subjected to preliminary electron treatment is discovered for the first time. The influence of the electron energy and the power of the laser beam on this process is investigated. The results presented are attributed to variation in the number of radiative recombination centers as a result of the dissociation and restoration of hydrogen-containing groups on the pore surface. Zh. Tekh. Fiz. 68, 58–63 (March 1998)     

Laser crystallization of amorphous silicon films investigated by Raman spectroscopy and atomic force microscopy

The intrinsic and phosphorous (P)-doped hydrogenated amorphous silicon thin films were crystallized by laser annealing. The structural properties during crystallization process can be investigated. Observed redshifts of the Si Raman transverse optical phonon peak indicate tensile stress present in the films and become intense with the effect of doping, which can be relieved in P-doped films by introducing buffer layer structures. Based on experimental results, the established correlation between the stress and crystalline fraction (X_C) suggests that the relatively high stress can limit the increase in X_C and the highest crystalline fraction is obtained by a considerable stress release. At high laser energy density of 1250 mJ/cm², the poorer crystalline quality and disordered structure of the film originating from the irradiation damage and defects lead to the low electron mobility.