3C-SiC、Si量子点和硅基全色可调谐的固体薄膜

【摘要】硅基半导体材料具有很多特殊的物理和化学性质,是一类很有潜力的材料,在光电子和生物医学领域都有望得到广泛的应用。近来,随着纳米科技和微电子技术的发展,硅基半导体纳米材料成为科学界的研究热点,人们尝试各种途径制备多种形貌的硅基半导体纳米材料并研究它们的发光性质,希望实现高效率、高稳定,尤其是具有宽光谱可调谐发光的固体薄膜。然而,由于硅基半导体纳米材料结构的复杂性,文献中报导的发光一般都仅限于很窄的光谱范围,因而很难将硅基半导体纳米发光材料应用到技术领域。本论文研究用化学腐蚀加超声振荡的方法制备在紫-蓝-绿光区域具有可调谐发光的3C-SiC和Si的量子点,用丙三醇钝化量子点制备了固体薄膜,首次发现一种在整个可见光波段有全色可调谐发光特性的全硅纳米结构固体薄膜。本文的主要研究结果如下：1、制备了丙三醇键合的3C-SiC纳米颗粒固体薄膜,可以被不同波长的光子激发,呈现出全色、可调谐的发光特性。3C-SiC纳米颗粒/丙三醇复合薄膜的发光在360-450nm区域随着激发波长的改变可调谐,分别发出紫-蓝-绿色荧光,发光十分强烈而且稳定以至于肉眼可见。分析发现3C-SiC纳米颗粒/丙三醇复合薄膜的发光主要来源于3C-SiC量子点的限制效应。X射线光电子能谱和X射线吸收近带边结构测量表明,丙三醇分子完全地键合在Si原子终端的表面上。基于密度泛函理论计算丙三醇钝化的3C-SiC纳米颗粒的表面结构和电子态,发现丙三醇分子键合在纳米颗粒上导致了电子结构的改变,以至于导带内的分立能级被准连续能带所取代。准连续能带使得3C-SiC纳米颗粒产生了随着激发波长改变导致的连续可调的光发射现象。另外,我们使用丙三醇钝化的3C-SiC纳米颗粒与多孔硅结合制备多色发光的固体薄膜,说明这种固体薄膜有潜在的应用价值。2、以颗粒直径在微米量级的Si粉末为原料,在氢氟酸与硝酸的混合溶液中进行化学腐蚀和超声振荡,制备出了悬浮在水中的大量Si量子点。这些量子点的直径在1到4nm之间,接近中心对称分布,最可几直径为2nm。Si量子点的形成过程如下：化学腐蚀粉末使得其表面形成一些多孔网状结构,纳米尺度的晶粒交织在其中,超声振荡粉碎这些网状结构,从而形成量子点并进入水中。在Xe灯照射下,Si量子点的水溶液在紫-蓝-绿光区域表现出强的、稳定的光致发光现象,当激发波长从320nm增加到420nm时,发光峰位从400nm红移到520nm。分析与计算结果表明,Si量子点的发光起源于量子限制效应导致的Si量子点中载流子的带带复合。3、测量了pH值为1、4、7、11的Si量子点水溶液的PL和PLE谱。发现,在各种不同的pH值下,Si量子点水溶液都有强烈的光致发光,并且都伴随着发光峰位随激发波长的增加而红移的现象,这说明量子限制效应的存在。在不同的pH值下Si量子点的发光峰形是不同的：酸性环境下,发光强度减弱,以致出现了水的Raman峰；在碱性环境中,发光强度较强,谱线370nm左右出现了一个固定位置的凸起,PLE的峰形有较大变化；在中性溶液中,PL不仅信号很强,而且其特征完全与量子限制效应对应。经过分析认为,强烈的酸性使得大量的氢离子易吸附在Si量子点的表面,使Si量子点的发光强度减弱；而碱性环境下,导致了Si量子点产生表面态或缺陷态；在中性环境下,Si量子点发光较为强烈,并且没有观察到与表面态、缺陷态有关的发光峰,说明尽管Si量子点的可调发光来源于量子限制效应,但表面态、缺陷态也会影响Si量子点的发光。考虑到Si量子点经由化学腐蚀方法制备,其表面化学性质仍然很活泼,氢离子和羟基都极易和颗粒表面键合,这为表面态、缺陷态的产生提供了条件,从而使其发光特性受到影响。因此,Si量子点强烈的光致发光现象来自量子限制效应和表面钝化的双重作用。4、通过用丙三醇钝化Si量子点的表面,我们制备了在紫-蓝-绿光范围内有可调发光的Si量子点／丙三醇复合薄膜；另外将用丙三醇钝化制得的Si量子点组装到多孔硅薄膜上后制得了全硅的发光纳米结构,即在全波段连续可调、发光的Si量子点／丙三醇／多孔硅复合薄膜,其对应不同激发波长下的荧光量子效率主要在20%-30%之间波动,高于同领域中别的样品的通常数值。这是首次在全硅纳米结构中发现全色、可调的发光薄膜。分析表明,基于Si量子点制备的固体薄膜其可调谐的发光是由于丙三醇分子键合和量子限制效应的共同作用。
【作者】王静；
【导师】吴兴龙；
【作者基本信息】南京大学，微电子与固体电子学，2012，博士
【关键词】立方碳化硅；硅量子点；纳米晶粒；纳米晶薄膜；光致发光；量子限制效应；

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