硅纳米晶的光致发光增强及受激辐射研究

【摘要】镶嵌于二氧化硅中的硅纳米晶是一种新型光学材料。与体块硅相比,其具有光致发光,电致发光甚至受激辐射的性质；与其它Ⅲ-Ⅴ族半导体发光材料相比,其具有与现代硅工艺兼容,制备简单,成本低廉和安全无毒等特性；与其它纳米结构硅材料如多孔硅相比,其又具有稳定的物理结构和化学性质。正由于具备这些优点,近年来硅纳米晶作为一种发光材料成为研究热点。本文工作主要分为以下几个方面：1,研究了硅纳米晶的制备及表征及其光致发光增强和调制方法。首先通过热蒸发硅氧合物的方法制备了镶嵌在二氧化硅中的硅纳米晶,并使用多种手段对其进行表征。然后采用氢钝化,多种元素掺杂和氩离子轰击衬底硅片诱导生成结构等手段对硅纳米晶发光进行调制。主要通过光致发光谱来评价调制结果。发现采用氢钝化和三价铈元素掺杂可以有效提高硅纳米晶的PL强度。本部分重点讨论了不同基体环境中的硅纳米晶光致发光性质,得出基体效应对硅纳米晶发光的影响,发现硅纳米晶的表面态是重要的荧光来源。2,研究了不同表面态处理对样品光致发光的影响,并分析了硅纳米晶的发光来源。采用了氧气,氢气和氨气对制得的硅纳米晶薄膜材料进行了后续处理,通过分析其PL的强度,峰型和峰位来反推硅纳米晶荧光可能的来源。讨论了多种表面态对荧光的影响,研究了钝化处理修饰硅纳米晶表面态对光致发光的调制。3,研究了硅纳米晶的受激辐射现象。通过可调激发长度和可变激发点位方法对硅纳米晶样品的受激辐射进行了测量。获得硅纳米晶的光增益系数为114cm-1。利用类似方法,得到了多种表面态处理过的硅纳米晶样品的增益系数。同时,采用不同功率密度的激光泵浦样品,测量了多种样品在不同泵浦功率密度下的光增益表现。发现具有更高荧光强度的样品在高功率密度激发下,会有更好的光增益表现。4,另外本文也对利用硅纳米晶薄膜制备波导结构的条件进行了探讨。在利用椭偏测量术和棱镜耦合法测量了硅纳米晶薄膜的一些光学参数的基础上,设计了硅纳米晶波导的结构,研究了不同结构的光场分布。研究结果为硅纳米晶谐振腔的应用研究提供了参考。
【作者】朱江；
【导师】陆明；
【作者基本信息】复旦大学，光学，2013，博士
【关键词】硅纳米晶；光致发光；受激辐射；光增益；表面态；

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