量子受限效应和对称性效应对硅光子晶体禁带的影响

光子晶体不仅可以用来调控自发辐射, 还可以用来控制光的传输和局域. 采用平面波展开法进行模拟计算, 分析硅背景下的二维正方、三角晶格光子晶体散射基元的形状和空间取向对光子禁带的影响. 计算结果表明: 对称性和量子受限效应之间的竞争是导致光子晶体禁带宽度发生变化的原因.     

硅量子点发光的激活及其物理模型研究

在真空或惰性气体中制备的硅量子点发光很弱,硅量子点表面被氢较好钝化后的发光也不强.硅量子点表面的硅氧键或硅氮键能破坏这种钝化并在带隙中形成局域电子态,在局域电子态对应的激活中心有很强的发光.可以用这种方式构建发光物质,控制硅量子点表面的键合可获得不同波长的发光.在硅量子点的发光激活处理过程中,退火是很重要的环节.对于硅量子点发光激活的机理,本文给出了相应的物理模型.实验证明,在600和700 nm波长附近观察到了激活硅量子点的受激发光,在1500 nm到1600 nm波长范围观察到了激活硅量子点的较强发光.     

通信波段硅基气孔光子晶体的带隙特性及其物理模型研究

用平面波展开法对硅背景下的通信波段不同晶格类型和气孔形状光子晶体的能带结构进行数值计算与分析,提出了相应的物理模型.结果表明:利用光子受限效应和晶格对称性效应可以有效地调控光子带隙.随光子晶体填充率的增加,其约束光子的能力增强,光子带隙在一定范围内展宽且其中心频率蓝移;带隙随晶格对称性增加而变宽.对基元形状和旋转角度的研究发现,光子带隙随基元旋转角度变化具有周期性和对称性,表现出各向异性,由此优化出对应的不同晶格的最佳谐振腔型结构.     

纳米硅上的弯曲表面效应及其特征发光

纳米硅结构使能带的带隙展宽,并形成准直接能带带隙结构.弯曲表面上的某些键合可以在带隙中产生局域电子态,计算表明:纳米硅弯曲表面上的Si-N,Si=O和Si-O-Si键合能够分别在带隙中2.02 eV,1.78 eV和2.03 eV附近形成局域态子带,对应了实验光致荧光谱(PL)中605 nm处的LN线、693 nm处的LO1线和604 nm处的LO2线特征发光.特别是,Si-Yb键合在纳米硅弯曲表面上可以将发光波长调控到光通信窗口,在1310 nm到1600 nm范围形成LYb线特征发光.     

表面键合对硅(111)量子面电子结构的影响

将纳米硅薄膜看成理想的一维限制的量子面结构,通过第一性原理计算研究了不同厚度的硅(111)量子面的能带结构及态密度。随着量子面厚度的变化,在Si—H键钝化较好的量子面结构上,其带隙宽度变化主要遵循量子限制效应规律。当在表面掺杂时,模拟计算表面含Si—N键的硅(111)量子面的结果表明:在一定厚度范围内,带隙宽度主要由量子限制效应决定;超过这个厚度,带隙宽度同时受量子限制效应和表面键合结构的影响。保持量子面厚度不变,表面掺杂浓度越大则带隙变窄效应越明显。同样,模拟计算含Si—Yb键的硅(111)量子面的结果也有同样的效应。几乎所有的模拟计算结果都显示:量子面的能带结构均呈现出准直接带隙特征。     

Electronic states and shapes of silicon quantum dots

A curviform surface breaks the symmetrical shape of silicon quantum dots on which some bonds can produce localized electronic states in the bandgap. The calculation results show that the bonding energy and electronic states of silicon quantum dots are different on various curved surfaces, for example, a Si-O-Si bridge bond on curved surface provides localized levels in bandgap and its bonding energy is shallower than that on the facet. The red-shifting ofthe photoluminescence spectrum on smaller silicon quantum dots can be explained by the curved surface effect. Experiments demonstrate that silicon quantum dots are activated for emission due to the localized levels provided by the curved surface effect.     

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。     

Curved surface effect and emission on silicon nanostructures

The curved surface （CS） effect on nanosilicon plays a main role in the activation for emission and photonic manipulation. The CS effect breaks the symmetrical shape of nanosilicon on which some bonds can produce localized electron states in the band gap. The investigation in calculation and experiment demonstrates that the different curvatures can form the characteristic electron states for some special bonding on the nanosilicon surface, which are related to a series of peaks in photoluminecience （PL）, such as LN, LNO, Lo1, and Lo2 lines in PL spectra due to Si-N, Si-NO, Si=O, and Si-O-Si bonds on curved surface, respectively. Si-Yb bond on curved surface of Si nanostructures can provide the localized states in the band gap deeply and manipulate the emission wavelength into the window of optical communication by the CS effect, which is marked as the Lyb line of electroluminescence （EL） emission.