新型硅纳米晶材料的制备及其发光性能的研究

论文摘要

自从英国科学家L.T.Canham成功制备出具有可见光发射性能的多孔硅（PS）后,以电子领域最重要的半导体硅（Si）作为发光材料的研究引起了广泛关注。而Si纳米晶作为零维纳米材料以其特有的量子限制效应成为所有Si纳米结构发光研究中的热点。本论文通过改变Si的晶体结构实现了Si纳米晶材料的高效发光,通过硅-银（Si-Ag）键表面钝化PS实现Si纳米晶材料的高强度稳定发光,并欲通过实现Si纳米晶有序分布实现Si纳米晶材料发光均匀化。研究发现,采用低成本、无污染的偏压溅射法可以制备出具有蓝光和紫外光发射的面心立方结构Si（fcc-Si）纳米晶材料。同时通过对比金刚石结构Si（dc-Si）纳米晶材料的发光性能和吸收性能发现,虽然fcc-Si纳米晶仍然属于间接带隙半导体,但fcc-Si纳米晶/Si氧化物系统的发光效率更高,约为dc-Si纳米晶/Si氧化物系统的1.2～1.6倍。另外,通过低成本、工艺简单的电化学阳极氧化和电化学沉积二步法制备出具有Si-Ag键表面钝化的PS。研究结果表明,具有最佳钝化效果的PS的发光强度是普通PS的3倍,且具有更高的发光稳定性。钝化后PS的发光强度与表面Si-Ag键的数量紧密相关:首先随着表面键数量的增多而强度增大,表面键饱和后强度达到最大,随后随着沉积Ag数量的增多,PS的发光发生淬灭。本论文同时通过理论和试验对Si纳米晶的有序分布做了初步探讨。首次用Monte Carlo方法模拟了应变场作用下Si原子在非晶氧化硅隔离层上的分布状态。结果表明,应变场确实对Si原子最终分布的区域具有调控作用,从理论上证明在非晶基体中, Si纳米晶同样可以实现应变场驱动的有序分布。试验方面,通过偏压共溅射加后续退火的方法成功制备了目前最高面密度的Si纳米晶（约7×1012 cm-2,比当前文献报道的Si/氧化硅系统的最高密度高5～10倍）。高分辨电镜照片显示Si纳米晶呈现部分有序化,发光谱显示只存在一个发光峰,初步显现了发光均匀性特征。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 硅基发光材料研究的兴起
• 1.2 Si 纳米晶研究的兴起
• 1.3 Si 纳米晶基础研究的现状
• 1.3.1 Si 纳米晶的制备方法
• 1.3.1.1 化学法制备 Si 纳米晶
• 1.3.1.2 物理法制备 Si 纳米晶
• 1.3.2 Si 纳米晶的全谱发光
• 1.3.3 Si 纳米晶体系的发光机理
• 1.3.4 发光 Si 纳米晶研究的热点及现存问题
• 1.3.4.1 改变晶体结构实现 Si 纳米晶发光效率的提高
• 1.3.4.2 表面钝化提高 Si 纳米晶的发光强度和发光稳定性
• 1.3.4.3 通过 Si 纳米晶有序分布实现整体均匀的发光
• 1.4 本课题工作设想的提出及研究内容
• 1.4.1 偏压溅射制备fcc-Si 纳米晶来提高发光效率
• 1.4.2 硅-银键钝化提高 PS 发光强度和发光稳定性
• 1.4.3 Monte Carlo 模拟 Si 纳米晶在应变场作用下的分布
• 1.4.4 偏压溅射制备超高密度 Si 纳米晶
• 1.5 本课题的主要创新点
• 第二章 试验原料和试验装置
• 2.1 试验原料及所用试剂
• 2.1.1 Si 片
• 2.1.2 化学试剂
• 2.1.3 溅射靶材
• 2.1.4 气体
• 2.2 试验装置
• 2.2.1 样品制备装置
• 2.2.1.1 磁控溅射装置
• 2.2.1.2 电化学刻蚀槽及电化学沉积槽
• 2.2.1.3 管式退火炉
• 2.2.2 样品表征设备
• 2.2.2.1 荧光分光光度计
• 2.2.2.2 扫描电镜及能谱仪
• 2.2.2.3 红外光谱仪
• 2.2.2.4 光电子能谱仪
• 2.2.2.5 场发射透射电镜
• 2.2.2.6 紫外-可见分光光度计
• 第三章 fcc-Si 纳米晶的制备及其发光性能研究
• 3.1 偏压溅射法制备fcc-Si 纳米晶
• 3.1.1 制备工艺
• 3.1.2 试验结果及讨论
• 3.1.2.1 Si 纳米晶及其晶体结构的确认
• 3.1.2.2 fcc-Si 纳米晶形成机理
• 3.1.2.3 镶嵌有fcc-Si 纳米晶薄膜的发光机理
• 3.2 fcc-Si 纳米晶发光机理及其发光效率的研究
• 3.2.1 具有不同晶体结构 Si 纳米晶的制备
• 3.2.2 对比样品的确定
• 3.2.3 对比样品的发光机理分析
• 3.2.3.1 晶体结构及其平均粒径对比
• 3.2.3.2 带隙计算
• 3.2.3.3 吸收性能对比确定带隙特征
• 3.2.3.4 氧化试验
• 3.2.3.5 发光模型的确定
• 3.2.4 样品发光效率对比
• 3.2.4.1 定性分析
• 3.2.4.2 定量确定
• 3.2.5 其它样品分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 PS 表面 Si-Ag 键钝化研究
• 4.1 制备工艺
• 4.2 试验结果与讨论
• 4.2.1 PL 性能对比
• 4.2.2 截面形貌及成分对比
• 4.2.3 表面价键对比
• 4.2.4 Si-Ag 键的确定
• 4.2.5 表面 Si-Ag 键钝化 PS 的发光机理
• 4.3 本章小结
• 第五章 实现 Si 纳米晶有序分布的探索
• 2 隔离层上的分布'>5.1 Monte Carlo 方法模拟应变场作用下 Si 原子在非晶 SiO₂隔离层上的分布
• 5.1.1 Monte Carlo 方法及 Metropolis 算法简述
• 5.1.2 物理模型的建立
• 5.1.3 算法设计
• 5.1.4 宏观特征值及能量表达式
• 5.1.4.1 宏观特征值的选取
• 5.1.4.2 能量表达式
• 5.1.5 模拟结果与讨论
• 5.2 偏压共溅射法制备超高密度 Si 纳米晶
• 5.2.1 制备工艺
• 5.2.1.1 偏压溅射工艺
• 5.2.1.2 退火工艺
• 5.2.2 试验结果与讨论
• 5.2.2.1 Si 纳米晶的确定
• 5.2.2.2 超高面密度及有序分布
• 5.2.2.3 高密度 Si 纳米晶的发光性能
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文结论及研究展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢