论文摘要
镶嵌于二氧化硅中的硅纳米晶是一种新型光学材料。与体块硅相比,其具有光致发光,电致发光甚至受激辐射的性质；与其它Ⅲ-Ⅴ族半导体发光材料相比,其具有与现代硅工艺兼容,制备简单,成本低廉和安全无毒等特性；与其它纳米结构硅材料如多孔硅相比,其又具有稳定的物理结构和化学性质。正由于具备这些优点,近年来硅纳米晶作为一种发光材料成为研究热点。本文工作主要分为以下几个方面：1,研究了硅纳米晶的制备及表征及其光致发光增强和调制方法。首先通过热蒸发硅氧合物的方法制备了镶嵌在二氧化硅中的硅纳米晶,并使用多种手段对其进行表征。然后采用氢钝化,多种元素掺杂和氩离子轰击衬底硅片诱导生成结构等手段对硅纳米晶发光进行调制。主要通过光致发光谱来评价调制结果。发现采用氢钝化和三价铈元素掺杂可以有效提高硅纳米晶的PL强度。本部分重点讨论了不同基体环境中的硅纳米晶光致发光性质,得出基体效应对硅纳米晶发光的影响,发现硅纳米晶的表面态是重要的荧光来源。2,研究了不同表面态处理对样品光致发光的影响,并分析了硅纳米晶的发光来源。采用了氧气,氢气和氨气对制得的硅纳米晶薄膜材料进行了后续处理,通过分析其PL的强度,峰型和峰位来反推硅纳米晶荧光可能的来源。讨论了多种表面态对荧光的影响,研究了钝化处理修饰硅纳米晶表面态对光致发光的调制。3,研究了硅纳米晶的受激辐射现象。通过可调激发长度和可变激发点位方法对硅纳米晶样品的受激辐射进行了测量。获得硅纳米晶的光增益系数为114cm-1。利用类似方法,得到了多种表面态处理过的硅纳米晶样品的增益系数。同时,采用不同功率密度的激光泵浦样品,测量了多种样品在不同泵浦功率密度下的光增益表现。发现具有更高荧光强度的样品在高功率密度激发下,会有更好的光增益表现。4,另外本文也对利用硅纳米晶薄膜制备波导结构的条件进行了探讨。在利用椭偏测量术和棱镜耦合法测量了硅纳米晶薄膜的一些光学参数的基础上,设计了硅纳米晶波导的结构,研究了不同结构的光场分布。研究结果为硅纳米晶谐振腔的应用研究提供了参考。
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摘要Abstract第一章 引言1.0 研究背景1.1 硅纳米晶发光1.2 受激辐射（Stimulated Emission）1.3 实验设备及技术1.3.1 主要实验设备1.3.2 制备技术1.3.3 光学特性和结构特性表征技术1.4 主要实验试剂列表1.5 论文安排第二章 硅纳米晶的光致发光增强与调制2.1 硅纳米晶的制备方法2'>2.2 用蒸发硅氧合物的方法制备Si-nc：SiO22.2.1 原理2.2.2 制备过程2的表征及其光致发光特性'>2.3 Si-nc：SiO2的表征及其光致发光特性2.3.1 Raman谱2.3.2 XRD谱2.3.3 HRTEM图像2的光致发光谱（PL）'>2.3.4 Si-nc：SiO2的光致发光谱（PL）2.4 增强和调制硅纳米晶光致发光的方法2.4.1 氢钝化2.4.2 稀土元素掺杂2.4.3 其它元素掺杂2.4.4 氩离子轰击硅衬底形成形貌对沉积硅纳米晶以及光致发光的影响2.5 不同基体环境中硅纳米晶发光情况的研究2.5.1 样品介绍2.5.2 不同样品的光致发光强度以及变化趋势研究2.5.3 不同隔离层对载流子的限制对硅纳米晶发光的影响2.6 本章小结第三章 不同表面态处理样品的光致发光3.1 实验样品及操作简介3.2 氧的作用3.3 氢氧循环3.4 氨钝化2结构的硅氧界面层分析和硅纳米晶发光来源'>3.5 Si-nc：SiO2结构的硅氧界面层分析和硅纳米晶发光来源3.6 本章小结第四章 硅纳米晶的受激辐射现象研究4.1 硅纳米晶的受激辐射及光增益的研究4.2 样品及设备介绍4.3 结果分析4.3.1 PL对比4.3.2 受激辐射现象分析4.3.3 VSL测试和样品光增益系数计算4.4. 经过表面态处理的硅纳米晶样品的VSL测试及分析4.4.1 不同表面态处理样品的VSL4.4.2 不同功率密度泵浦下的VSL4.5 不同制备过程样品的VSL数据分析3N4和Si/SiO2多层硅样品的VSL比较'>4.5.1 Si/Si3N4和Si/SiO2多层硅样品的VSL比较2和SiO/SiO2多层样品的VSL比较'>4.5.2 Si/SiO2和SiO/SiO2多层样品的VSL比较4.6 本章小结第五章 基于硅纳米晶的波导研究初探5.1 硅纳米晶薄膜的光学参数测量5.1.1 棱镜耦合法测量硅纳米晶的折射率5.1.2 椭偏法测量硅纳米晶的光学参数5.2 用COMSGL软件设计膜系结构5.3 本章小结第六章 总结与展望6.1 内容小结6.2 下一步展望参考文献攻读博士学位期间发表论文致谢
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