论文摘要
半导体纳米材料具有优异的光电性能，在非线性光学器件、光电功能材料等方面具有极为广阔的应用前景。锗作为一种典型的半导体材料，对它的研究一直有着重要的应用背景。Ge-SiO2这种复合结构的光学性质，尤其是发光性能已经引起了国内外研究者的极大兴趣。本文采用光吸收、光荧光、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、X—Ray光电子能谱（XPS）测试和TRIM96模拟程序，分别研究了石英玻璃中植入型Ge纳米晶的光学和微观结构特征，并对比研究样品在热退火和辐照处理后，光学性能和微观结构上的变化。主要得到以下结果：1．室温下石英玻璃中注入能量为56keV、注量为1×1017cm-2的Ge+离子，直接形成Ge纳米晶。离子注入过程在基体中引入大量缺陷，紫外区吸收显著增强，但没有明显的吸收峰出现。2．注入态样品分别在O2，N2和Ar气氛中等时退火。O2气中退火样品在240nm处出现一个明显的由GeO缺陷引起的吸收峰，N2气中退火样品在418nm处有一个由Si—N化学键引起的吸收峰，Ar气中退火样品没有观察到吸收峰出现。各种气氛下的退火过程中，随温度升高，辐照损伤程度减小，吸收边逐渐蓝移变陡。3．注入态样品在各种气氛中退火后均观察到由GeO缺陷引起的两个较强紫外荧光峰，分别位于294和386nm处，氧气中退火样品紫外荧光峰强度最大。退火过程中，靠近表面的Ge元素逐渐向外扩散，位于基体内部的锗纳米颗粒长大。1000℃退火后大量的Ge元素扩散到基体外部。4．注入态样品中Ge元素以Ge0、GeO和GeO2的形式存在；600℃退火后Ge元素以Ge0，GeO和GeO2的形式存在；1000℃退火后，GeO2分解成GeO，GeO是最稳定的一种结构，但仍然有少量Ge0存在。5．用能量为60 keV的N+离子辐照注入态样品。辐照后样品吸收边蓝移变陡，GeO缺陷引起的荧光峰（294nm）出现。辐照后样品中观测到显著的位错环。Ge仍然以Ge、GeO和GeO2的形式存在，有少量SiN化合物形成。N+离子辐照后样品在氩气中于500℃退火后，出现一个明显的位于418nm的吸收峰，550℃退火后最强，与N气中退火结果相似，是由硅氮化合物（Si3N4或者SiOxNy）引起的。6．用波长为1.064μm、脉宽约3ns、能量阈值100 mJ／cm2的Nd：YAG单纵模调Q激光器辐照注入态和N+离子辐照后的样品。样品表面观测到明显的由激光辐照引起的损伤及熔化波纹。辐照后样品表面更光滑，缺陷减少，吸收边蓝移。注入态样品经激光辐照后，240nm波长光激发下只观察到294nm处荧光峰。