多孔硅的形成与发光

本文综述了有关多孔硅(Porous Silicon,简称PS)某些新近的研究成果,包括多孔硅的形成、光致发光和电致发光,着重介绍多孔硅的形成和发光过程的量子尺寸效应.     

基于纳米压痕法的多孔硅硬度及杨氏模量与微观结构关系研究

采用电化学腐蚀制备多孔硅，利用场致发射扫描式电子显微镜(field emission scanning electron microscope，FESEM)观测多孔硅的二维微观形貌，利用Nano Indenter XP中的纳米轮廓扫描仪组件(nano profilometry, NP)得到其三维拓扑分析图像，分析了微观结构差异的原因并讨论了多孔硅内部微观结构对其机械性能的影响；利用MTS Nano Indenter XP纳米压入测量仪器，研究了多孔硅的显微硬度和杨氏模量随压入深度的变化规律，比较了不同孔隙率多孔硅的机械性能差别.实验结果测得40mA/cm²，60mA/cm²，80mA/cm²和100mA/cm²四个不同腐蚀电流密度条件下制备多孔硅样品的孔隙率在60%—80%范围内，孔隙率随着腐蚀电流密度的增加而增大；在氢氟酸(HF)浓度为20%的条件下制备出多孔硅样品的厚度在40μm—50μm范围内；测得多孔硅的平均硬度、平均杨氏模量分别在0.478GPa—1.171GPa和10.912GPa—17.15GPa范围内，并且其数值随腐蚀电流密度的增加而减小，在纳米硬度范围内随压入深度的增加而减小，在显微硬度范围内其数值保持相对恒定，分析了样品表面、厚度、微观结构，及环境对其机械性能的影响，得到了多孔硅力学性能随其微观尺度形貌的变化规律. 关键词： 多孔硅 微观结构 硬度 杨氏模量     

铜掺杂多孔硅的光致荧光猝灭

采用浸泡镀敷的方法在多孔硅表面形成了一铜镀层,通过对掺铜前后多孔硅的光致发光(PL)谱和傅里叶变换红外(FTIR)吸收光谱的研究,讨论了铜在多孔硅表面的吸附对其光致发光的影响。实验表明,掺铜对多孔硅的光致发光具有明显的猝灭效应,并使多孔硅的发光峰位蓝移。由于多孔硅表面铜的吸附使硅-氢键明显减少,而铜原子和硅的悬挂键成键会形成新的非辐射复合中心,从而使多孔硅的光致发光强度衰减。且浸泡溶液的浓度越高,这种猝灭效应越明显。而多孔硅发光峰位的蓝移,则是由于在发生金属淀积的同时伴随着多孔硅表面Si的氧化过程(纳米Si氧化为SiO2)的缘故。     

n型有序多孔硅基氧化钨室温气敏性能研究

利用电化学腐蚀方法制备了n型有序多孔硅, 并以此为基底用直流磁控溅射法在其表面溅射不同厚度的氧化钨薄膜. 利用X射线和扫描电子显微镜表征了材料的成分和结构, 结果表明, 多孔硅的孔呈柱形有序分布, 溅射10 min的WO₃薄膜是多晶结构, 比较松散地覆盖在整个多孔硅的表面. 分别测试了多孔硅和多孔硅基氧化钨在室温条件下对二氧化氮的气敏性能, 结果表明, 相对于多孔硅, 多孔硅基氧化钨薄膜对二氧化氮的气敏性能显著提高. 对多孔硅基氧化钨复合结构的气敏机理分析认为, 多孔硅和氧化钨薄膜复合形成的异质结对良好的气敏性能起到主要作用, 氧化钨薄膜表面出现了反型层引起了气敏响应时电阻的异常变化. 关键词： 有序多孔硅 氧化钨薄膜 二氧化氮 室温气敏性能     

金属/多孔硅/单晶硅(M/PS/Si)微结构的电学特性

采用双槽电化学腐蚀法制备多孔硅层,然后在多孔硅表面沉积形成金属电极,制备出M/PS/Si微结构.利用SEM分析多孔硅的表面形貌,通过测试其I-V特性分析M/PS/Si微结构的电学特性.结果表明:由Pt做电极形成的M/PS/Si结构,表现出非整流特性.M/PS/Si结构的I-V曲线由线性区和非线性区组成,多孔硅孔隙率越高的M/PS/Si结构的I-V特性曲线线性区越宽.由Cu做电极形成的M/PS/Si结构,表现出整流特性.其整流比随多孔硅孔隙率增加而减小. 关键词： M/PS/Si微结构 孔隙率 I-V特性')" href="#">I-V特性 欧姆接触     

一种制备稳定高效光致发光氧化多孔硅的新方法

对比研究了经20%的硝酸、浓硫酸,以及半导体工业中用于氧化清洗单晶硅表面的SC-1(1:1:5,体积比,NH4OH/H2O2/H2O,也称RCA-1)和SC-2(1:1:6的HCl/H2O2/H2O,也称RCA-2)氧化液氧化的多孔硅表面组成以及光致发光性质的差异。发现SC-1氧化液能在几十秒的时间内将多孔硅表面的Si-Hx(x=1～3)氧化掉,形成稳定的氧化层,得到具有较强的光致发光性能的氧化多孔硅。而硝酸、浓硫酸和SC-2液在相同温度下处理10min的多孔硅表面的(O)xSi-Hy振动峰仍很明显,前两者处理后的多孔硅发光强度很弱,SC-1处理后的样品虽然发光较强,但不稳定。结合SC-1的组成和多孔硅表面Si-Hx的性质,对反应结果进行了解释。将SC-1和SC-2结合使用,所得的氧化多孔硅具有强的且稳定的光致发光特性。     

有机吸附物对多孔硅微腔发光的影响

理论上,采用Bruggeman有效介质近似,研究了有机吸附物对多孔硅微腔的折射率及其光致发光谱的影响.实验上,采用计算机控制的电化学腐蚀法制备了多孔硅微腔样品,并利用机械泵油的蒸气分子与该微腔样品进行相互作用.研究发现,多孔硅微腔发射的窄化光致发光谱对泵油蒸气分子的吸附与脱附很敏感,与之伴随的是该窄化光致发光谱发生明显的峰位移动(可达71nm)和强度变化.结合Bruggeman近似和表面态对多孔硅发光的影响,对实验结果进行了定性解释.实验结果与理论模拟结果符合较好. 关键词： Bruggeman近似 吸附物 多孔硅微腔 光致发光谱     

多孔硅光致发光峰半峰全宽的压缩

硅发光对于在单一硅片上实现光电集成是至关重要的.目前已有的使硅产生发光的方法有:掺杂深能级杂质、掺稀土离子、多孔硅、纳米硅以及Si/SiO₂超晶格.声空化所引发的特殊的物理、化学环境为制备光致发光多孔硅薄膜提供了一条重要的途径.实验表明,声化学处理对于改善多孔硅的微结构,提高发光效率和发光稳定性都是一项非常有效的技术.超声波加强阳极电化学腐蚀制备发光多孔硅薄膜,比目前通用的常规方法制备的样品显示出更优良的性质.这种超声波的化学效应源于声空化,即腐蚀液中气泡的形成、生长和急剧崩溃.在多孔硅的腐蚀过程中,由于超声波的作用增加了孔中氢气泡的逸出比率和塌缩,有利于孔沿垂直方向的腐蚀,使多孔硅光致发光峰的半峰全宽压缩到了3.8nm.     

多孔硅/DR1复合膜三阶非线性光学性质的研究

采用物理吸附方法制备出多孔硅和偶氮化合物染料分散红（DR1）的复合薄膜.用单光束扫描法研究了多孔硅/ DR1复合膜的三阶非线性光学性质，测量了在1064 nm处多孔硅/DR1复合膜的双光子吸收系数和非线性折射率.实验结果表明，同多孔硅相比，多孔硅/DR1复合膜三阶非线性光学效应明显得到了增强.     

氧化多孔硅/聚合物复合膜的折射率

用Bruggeman模型理论,分析了氧化多孔硅/聚合物复合膜的等效折射率与多孔硅孔隙率、氧化度和嵌入率的关系.实验研究了嵌入PMMA材料的氧化多孔硅/聚合物膜的等效折射率.证实了在多孔硅中嵌入聚合物可使薄膜的光学参量保持稳定.     

低温湿氧氧化提高多孔硅发光的稳定性

用低温湿氧氧化方法对多孔硅进行后处理,获得了光致发光强度强、发光稳定的样品,顺磁共振谱表明这种样品表面的悬挂键密度较小,通过对样品红外光谱的测试和分析,指出SiH(O₃),SiH(SiO₂),SiH₂(O₂)结构的产生是实验中多孔硅稳定性提高的原因. 关键词：     

Characterization of thermal, optical and carrier transport properties of porous silicon using the photoacoustic technique

In this work, the porous silicon layer was prepared by the electrochemical anodization etching process on n-type and p-type silicon wafers. The formation of the porous layer has been identified by photoluminescence and SEM measurements. The optical absorption, energy gap, carrier transport and thermal properties of n-type and p-type porous silicon layers were investigated by analyzing the experimental data from photoacoustic measurements. The values of thermal diffusivity, energy gap and carrier transport properties have been found to be porosity-dependent. The energy band gap of n-type and p-type porous silicon layers was higher than the energy band gap obtained for silicon substrate (1.11 eV). In the range of porosity (50-76%) of the studies, our results found that the optical band-gap energy of p-type porous silicon (1.80-2.00 eV) was higher than that of the n-type porous silicon layer (1.70-1.86 eV). The thermal diffusivity value of the n-type porous layer was found to be higher than that of the p-type and both were observed to increase linearly with increasing layer porosity.     

多孔硅层晶格畸变的X射线双晶衍射研究

利用X射线双晶衍射方法,对从同一Si(111)基片上切割的两块样品,在不同电解电流密度下,腐蚀形成的多孔硅层相对于基体硅的晶格畸变进行了分析。这两块样品晶格的畸变明显不同。其中电流密度较小的样品畸变较大,其多孔硅层对于基体硅在垂直和平行于晶体表面的方向上,晶格有不同程度的膨胀,搁置一段时间后,两者晶格渐渐匹配,但存在着弯曲。两者的(111)晶面取向亦有偏差。电流密度较大时多孔硅层较厚,其双晶反射强度很低,且弥散地迭加在基体硅反射峰上。     

发光多孔硅表面微结构及其晶格畸变的实验研究

用电化学方法制备了不发光多孔硅和发光多孔硅,用X射线双晶衍射对两类多孔硅表面进行了微结构分析和晶体质量表征,实验表明两类多孔硅的微结构间存在着很大差别。不发光多孔硅表面对X射线的双晶衍射摇摆曲线可解叠成两个峰,它们分别来自样品多孔层和单晶硅衬底,而发光多孔硅对X射线的双晶衍射摇摆曲线呈高斯对称分布,不可解叠。发光多孔硅比不发光多孔硅表面晶体质量差,且电化学腐蚀越严重,表面晶体质量下降也越严重。     

嵌入多孔硅中的C60分子的发光行为

1990年团簇C60分子分离的成功[1],立即引起了科学界的极大重视,有关C60分子的超导电性、光谱特性以及电子能级结构的研究报道与日俱增,由于单个C60分子是直径为7.1Å的球形分子,因而在某种程度上对于由C60分子聚集而成的具有几个纳米尺寸的CBO微晶的体系应该也具有类似于半导体超微粒低维量子限域的物理特性.     

光学声子色散关系对多孔硅喇曼谱的影响

测量了多孔硅的喇曼光谱,观察到谱峰有明显的红移和非对称性展宽效应。用微晶模型对此现象进行了解释:认为谱峰的这种变化不完全是由尺寸的空间限制效应和多孔硅的应变造成的,更主要的是多孔硅的色散关系发生了变化。采用不同的色散关系对谱峰进行了拟合,发现色散关系对喇曼谱的拟合有较大的影响。     

Thermodynamics of a phase transition of silicon nanoparticles at the annealing and carbonization of porous silicon

The formation of SiC nanocrystals of the cubic modification in the process of high-temperature carbonization of porous silicon has been analyzed. A thermodynamic model has been proposed to describe the experimental data obtained by atomic-force microscopy, Raman scattering, spectral analysis, Auger spectroscopy, and X-ray diffraction spectroscopy. It has been shown that the surface energy of silicon nanoparticles and quantum filaments is released in the process of annealing and carbonization. The Monte Carlo simulation has shown that the released energy makes it possible to overcome the nucleation barrier and to form SiC nanocrystals. The processes of laser annealing and electron irradiation of carbonized porous silicon have been analyzed.     

Influence of Iodine-Containing Solutions on the Condition of a Porous Silicon Surface and Its Photoluminescent Properties

The influence of surface treatment of porous silicon in iodine-containing solutions on its photoluminescent properties has been investigated. The porous silicon samples were prepared by anodizing in HF-based electrolytes and placed in fluoride-hydrogen solutions with the addition of iodine immediately after their formation. The surface condition was controlled by IR Fourier spectroscopy methods in the 400–4000-cm^–1 range. It has been established that the result of the porous silicon treatment in iodine-containing solutions is a decrease in the intensity of Si–H _x -bonds without the appearance of additional vibrations in the range under investigation. At the same time, such a treatment substantially affects the spectrum and intensity of porous silicon photoluminescence and increases its stability in subsequent storage. The possible reasons for the revealed phenomena are discussed.