陳家榮

（貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025）

隨著人類(lèi)社會(huì)對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)逐漸增加，作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的光電信息產(chǎn)業(yè)逐漸成為科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)生活領(lǐng)域的重點(diǎn)，光電集成也成為繼微電子集成之后近20年來(lái)發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)?；诠璧墓怆娂杉夹g(shù)對(duì)硅光源，硅基波導(dǎo)和硅基諧振腔提出了迫切的需求。在以往的研究中，科學(xué)家們?cè)诠杌▽?dǎo)和硅基諧振腔的研究中取得了突破性的進(jìn)展，而對(duì)于硅光源，由于硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂不重合，在熒光產(chǎn)生過(guò)程中需要聲子參與，因此塊體硅的發(fā)光效率極低，限制了其在光學(xué)和光電子學(xué)中的應(yīng)用。然而，當(dāng)體硅的尺寸減小到納米尺寸時(shí)，動(dòng)量的不確定性將增大，導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂?shù)膭?dòng)量可能由于動(dòng)量的彌散對(duì)應(yīng)同一個(gè)k值，從而削弱了動(dòng)量守恒的限制，即量子限制效應(yīng)較為顯著。此時(shí)，能帶和帶隙將發(fā)生顯著的變化，硅材料由間接帶隙半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)為直接帶隙半導(dǎo)體材料，因此硅材料在常溫下的發(fā)光成為可能，在過(guò)去十幾年的研究中，硅納米晶已經(jīng)成為制備硅光源的優(yōu)選材料。盡管硅基材料在制備、表征、調(diào)制等方面取得了重大的進(jìn)步，但實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的硅光源還需要進(jìn)一步的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中制備硅量子點(diǎn)采用單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)兩種方法，在本實(shí)驗(yàn)中采用蒸鍍單層SiO薄膜的方法來(lái)制備硅量子點(diǎn)，具體制備步驟為：將純度為5N的SiO粉末放入鉬舟中，將鉬舟放入真空鍍膜機(jī)腔內(nèi)的電阻加熱電極上（SiO的熔點(diǎn)低，采用電阻加熱的方法進(jìn)行蒸鍍），當(dāng)腔內(nèi)氣壓達(dá)到5.5×10-4Pa時(shí)采用電阻加熱對(duì)SiO粉末進(jìn)行預(yù)加熱，其作用是將粉末內(nèi)殘余的氣體蒸發(fā)掉。除氣完成后待腔內(nèi)氣壓恢復(fù)到5.5×10-4Pa左右時(shí)，即可開(kāi)始蒸鍍SiO薄膜，為了制備均勻致密的SiO薄膜，在制備過(guò)程中，其蒸鍍速率保持在0.7～0.9?/s。

將制備好的SiO薄膜取出后放入管式高溫退火爐內(nèi)進(jìn)行熱退火，其退火參數(shù)為：退火溫度為1100℃，退火時(shí)間為60 min，在退火的同時(shí)通入N2作為保護(hù)氣體，其流量為220 cm3/min（sscm）。在退火過(guò)程中發(fā)生如下相分離：

相分離完成后，即可得到包裹在SiO2中的硅量子點(diǎn)。

氫鈍化過(guò)程是指將制備好的硅量子點(diǎn)放入通有混合氣體（H2：N2=5%：95%）的退火爐中進(jìn)行熱處理。其中，氫鈍化的溫度為600℃，時(shí)間為30 min，混合氣體流量仍為220 sccm。

Ce3+摻雜過(guò)程：將適當(dāng)厚度的氟化鈰樣品（淬滅效應(yīng)——當(dāng)三價(jià)鈰離子的濃度過(guò)高時(shí)，Si-nc的光致發(fā)光強(qiáng)度不但沒(méi)有提高反而降低）使用電阻加熱的方法蒸鍍到硅量子點(diǎn)樣品表面，隨后放入退火爐中進(jìn)行500℃退火處理，退火過(guò)程中仍使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，使三價(jià)鈰離子進(jìn)入硅量子點(diǎn)樣品內(nèi)部。

圖1 H鈍化前后硅量子點(diǎn)的光致發(fā)光譜

2 結(jié)論

2.1 H鈍化提高硅納米晶的光致發(fā)光強(qiáng)度

按照上述實(shí)驗(yàn)方法所描述的步驟，制備厚度110 nm的硅量子點(diǎn)薄膜，將制備好的硅量子點(diǎn)放入混合氣體中進(jìn)行H鈍化，得到如圖1所示的結(jié)果，從圖中可以得出：樣品通過(guò)H鈍化之后，其光致發(fā)光強(qiáng)度增加。其原因在于：鈍化過(guò)程中含有一個(gè)電子的氫離子與懸掛鍵的電子配對(duì)，減少了懸掛鍵數(shù)量，從而減少了其復(fù)合中心，其光致發(fā)光強(qiáng)度得到了提高。

2.2 Ce3+摻雜提高硅量子點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度

采用電阻加熱的方法在厚度為110 nm的硅量子點(diǎn)薄膜上蒸鍍厚度為1 nm的氟化鈰，然后在退火爐中進(jìn)行熱退火，即可得到摻入Ce3+之后的硅量子點(diǎn)的光致發(fā)光譜，如圖2所示，從圖中可得出：摻入Ce3+之后硅量子點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度增加，分析其原因在于：氟化鈰發(fā)光波長(zhǎng)約在300～500nm左右，該發(fā)光波長(zhǎng)與硅量子點(diǎn)的激發(fā)波長(zhǎng)重疊，可以作為硅量子點(diǎn)的敏化劑，增大了硅量子點(diǎn)的吸收截面，所以其光致發(fā)光強(qiáng)度增加。

圖2 Ce3+摻雜前后硅量子點(diǎn)的光致發(fā)光譜

3 結(jié)語(yǔ)

文章主要研究了H鈍化和Ce3+摻雜對(duì)硅量子點(diǎn)光致發(fā)光強(qiáng)度的影響。H鈍化和Ce3+摻雜都可提高硅量子點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度，但兩種方法提高強(qiáng)度的機(jī)理不同，H鈍化過(guò)程中氫離子與懸掛鍵飽和，減少了材料中的復(fù)合中心，所以發(fā)光強(qiáng)度得到了提高。Ce3+摻雜提高硅量子點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度是由于Ce3+的發(fā)光波長(zhǎng)可作為硅量子點(diǎn)的激發(fā)光波長(zhǎng)，使得更多的硅量子點(diǎn)參與發(fā)光，所以其發(fā)光強(qiáng)度增加。