脉冲激光制备硅基纳米复合材料及其光电性能研究

论文摘要

硅是现代微电子行业的基础材料,但它是一种间接带隙的半导体材料,不能直接发光,这就大大限制了硅在高速光电子集成电路中的应用。硅纳米材料的出现,给人们带来了硅直接发光的曙光。本文采用垂直脉冲激光沉积这一新方法,在常温常压下制备了硅纳米粒子,在玻璃基底上沉积了硅纳米薄膜,并用激光诱导转移法(LIFT)在硅基底上制备了硅纳米薄膜。为提高硅纳米粒子的发光稳定性,在硅纳米粒子表面接枝了苯环和聚醋酸乙烯酯分子,接枝产物的傅立叶红外光谱(FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)证明苯环和聚醋酸乙烯酯分子被成功地接枝在硅纳米粒子表面。此外还对硅纳米粒子进行了水热处理,光致发光谱(PL)表明水热处理的硅纳米粒子发光强度增强。SEM结果表明Ar气氛中在玻璃基底上沉积的硅纳米薄膜是由纳米粒子聚集而成,空气中激光诱导转移法在硅基底上制备的硅纳米薄膜由超支化的链状硅纳米线(SiNWs)组成。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)结果表明这些硅纳米线的球体部分以硅纳米晶为核,外层被硅氧化物包覆。硅纳米线的PL谱中410nm、470nm、760nm三处出现发射峰,其中410nm处的发射峰在退火处理后明显增强,认为该峰来源于硅纳米晶与硅氧化物之间界面层处激子的辐射复合。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 综 述
• 1.1 硅纳米材料的制备
• 1.1.1 硅纳米粒子的制备
• 1.1.2 硅纳米线的制备
• 1.1.3 纳米硅薄膜的制备
• 1.2 纳米硅的发光机制
• 1.2.1 量子限制效应模型
• 1.2.2 量子限制/发光中心模型
• 1.2.3 表面态发光模型
• 1.3 纳米硅材料的主要特性及应用
• 1.3.1 硅纳米粒子的特性及应用
• 1.3.2 硅纳米线的特性及应用
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 课题来源
• 第2章 实验部分
• 2.1 主要仪器和试剂
• 2.1.1 主要仪器
• 2.1.2 主要试剂
• 2.2 硅纳米粒子的制备
• 2.2.1 样品的预处理
• 2.2.2 硅纳米粒子的制备
• 2.3 硅纳米粒子的酸刻蚀
• 2.4 硅纳米粒子的表面接枝
• 2.4.1 与过氧化苯甲酰（BPO）反应进行接枝
• 2.4.2 与醋酸乙烯酯（VAc）反应进行接枝
• 2.5 硅纳米粒子的水热处理
• 2.6 在硅基底上制备硅纳米线薄膜
• 2.6.1 在玻璃基底上硅纳米薄膜的制备
• 2.6.2 在硅基底上硅纳米线薄膜的制备
• 2.7 硅纳米材料的表征
• 2.7.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.7.2 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）
• 2.7.3 傅立叶红外光谱（FTIR）
• 2.7.4 光致发光光谱（PL）
• 2.7.5 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.8 本章小结
• 第3章 结果与讨论
• 3.1 垂直脉冲激光法（VPLD）制备硅纳米粒子及纳米薄膜
• 3.2 硅纳米粒子和纳米薄膜的表征
• 3.2.1 TEM 和SEM 表征
• 3.2.2 XRD 表征
• 3.2.3 FTIR 表征
• 3.2.4 水热处理后的硅纳米粒子的XPS 表征
• 3.2.5 水热处理后的硅纳米粒子的光致发光
• 3.3 硅纳米粒子的表面改性
• 3.3.1 与BPO 反应进行接枝
• 3.3.2 接枝聚醋酸乙烯酯
• 3.4 激光诱导转移方法在硅基底上制备硅纳米线薄膜
• 3.4.1 在硅基底上硅纳米线薄膜的制备
• 3.4.2 硅基底上硅纳米线薄膜的SEM 表征
• 3.4.3 硅基底上硅纳米线薄膜的HRTEM 表征
• 3.4.4 硅基底上硅纳米线薄膜的光致发光
• 3.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文