用激光加工硅样品生成低维量子结构及其强荧光效应

论文摘要

将功率为30W、波长为1064nm、脉宽8ns、重复频率800HZ的YAG激光束照射在电阻率为10—20Ωcm的P型掺杂单晶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(PL),发光峰中心约在706nm处。该结构的光致荧光峰强度比电化学加工纳米硅的光致荧光峰大约大两个数量级以上。通过改变激光辐照的时间和功率使到达硅表面的激光能量改变,发现网孔状结构的尺寸发生变化,同时光致荧光的强度也发生改变,但光致荧光峰的位置不变。这种光致荧光峰的钉扎效应单独用量子受限效应不能很好地解释。我们发现:当激光辐照时间约为9s时,孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定、且有较强的PL发光。我们将激光与硅样品的作用隔离于无氧化的环境里,分别比较了将硅样品浸入酒精、氢氟酸和水中进行激光加工与检测的结果。发现在酒精和氢氟酸中激光加工的硅样品几乎不发光;而在水中的激光加工的样品有微弱的PL发光,水在激光的辐照下会发生分解、释放出少量的氧原子。这证实了氧在光致荧光增强效应方面起着重要的作用。我们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;并用量子受限及其硅纳晶与氧化硅界面态的综合模型来解释纳米网孔结构的PL发光的钉扎与增强效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 硅材料的特性
• 1.1 单晶硅和低维纳米结构的基本性质
• 1.1.1 单晶硅的基本性质
• 1.1.2 块状硅晶体与硅晶低维量子结构的比较
• 1.1.3 低维纳米结构的生成和发光机理的研究目的
• 1.2 半导体硅低维体系中的能级和态密度
• 1.2.1 能级
• 1.2.2 态密度
• 1.2.3 半导体纳米材料的电子结构
• 1.3 硅纳米材料的光学性质
• 1.3.1 硅纳米材料的光吸收
• 1.3.2 硅纳米材料的光发射
• 1.4 纳米硅的特性及研究方法
• 第二章 实验系统
• 2.1 样品制备系统
• 2.1.1 YAG固体激光器
• 2.1.2 电化学刻蚀与激光辐照系统
• 2.2 样品检测系统
• 2.2.1 微区拉曼/荧光光谱仪
• 2.2.1.1 荧光光谱的原理
• 2.2.1.2 拉曼光谱的原理
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.2.1 扫描电镜的特点
• 2.2.2.2 扫描电镜的结构和工作原理
• 第三章 激光辐照法制备纳米硅的低维结构
• 3.1 纳米硅制备方法的国内外研究现状及水平
• 3.1.1 阳极腐蚀法
• 3.1.2 光照辐照的电化学阳极腐蚀法
• 3.1.3 化学气相沉积法（CVD）
• 3.1.4 分子束外延法（MBE）
• 3.2 用激光辐照法制备纳米硅方法的研究
• 3.2.1 激光的参量选取
• 3.2.2 激光加工的时间控制
• 3.2.2.1 激光辐照样品时间的选取
• 3.2.2.2 激光加工时间参量与制备样品结构的关系
• 3.2.2.3 激光加工时间参量与制备样品PL发光的对应关系
• 3.2.3 激光加工功率的控制
• 3.2.3.1 激光辐照功率的选取
• 3.2.3.2 激光辐照功率与制备样品结构的关系
• 3.2.3.3 激光辐照功率与制备样品PL发光的对应关系
• 3.2.4 在隔氧环境中激光辐照法制备纳米硅的光谱学特性研究
• 3.2.4.1 隔氧制备与检测纳米硅样品的几种方法
• 3.2.4.2 不同的隔氧制备方法对应纳米硅样品的PL光谱比较
• 3.2.4.3 分析与结论
• 第四章 网孔硅结构的表征与形成的机理
• 4.1 网孔硅结构的表征
• 4.1.1 网孔硅结构的形貌观察
• 4.1.2 用拉曼光谱峰频移与展宽来检测网孔硅结构的尺寸
• 4.2 纳米硅结构形成机理的国内外现状及水平
• 4.2.1 Beale模型
• 4.2.2 扩散限制模型
• 4.2.3 表面效应
• 4.3 激光作用在硅上产生的等离子体
• 4.3.1 激光与半导体材料相互作用的机理
• 4.3.2 激光与P型硅的相互作用原理
• 4.4 光子作用所形成的硅的低维结构
• 第五章 硅的低维纳米结构发光特性研究
• 5.1 网孔硅纳米结构PL发光的增强效应
• 5.2 网孔硅纳米结构PL发光的钉扎效应
• 第六章 网孔硅纳米结构PL发光的理论模型
• 6.1 纳米硅发光机理的国内外研究现状及水平
• 6.1.1 表面氢化物发光模型
• 6.1.2 量子限制效应模型
• 6.1.3 量子限制-发光中心模型
• 6.2 纳晶硅与氧化硅界面中的陷阱态及其相关模型
• 6.3 网孔硅结构PL发光钉扎与增强效应的机理
• 第七章 总结和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 研究生期间发表的论文情况
• 参加的学术活动和科研项目