PDF《热退火、激光束和电子束等作用对纳米硅制备及其局域态发光...》

2 实验首先, 将P型(100) 取向的硅样品 (电阻率为 10―20 ?・cm)在室温下用 Summa水溶液浸泡处理

20 min. 然后用波长为

1064 nm, 脉宽为

20 ns, 重?国家自然科学基金 (批准号: 61465003, 11264007) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 104202-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

10 (2016)

104202 复率为 1―4 kHz, 功率密度为

5 *

108 W・cm?2 的Nd:YAG脉冲激光作为烧蚀源, 采用脉冲激光沉积 法, 分别在氧气、 氮气、 空气或六氟化硫等环境中 制备纳米硅, 以及在镱掺杂下制备硅纳米结构. 随 后将在氧气氛围中制备的纳米硅样品置于1050 ? C 的退火炉中分为连续退火 5, 10, 15,

20 min 和断续 退火10 min +

10 min,

10 min +

10 min +

10 min;

将氧气、 空气和六氟化硫氛围中制备的纳米硅样品 分别进行不同时间的激光快速退火;

将氧气、 氮气 等氛围及镱掺杂下制备的纳米硅样品进行电子束 辐照. 最后用透射电子显微镜对纳米硅结构进行 表征, 用拉曼光谱仪对纳米硅 PL 发光进行检测与 分析.

3 结果与分析 在氧气氛围下用纳秒脉冲激光制备的纳米 硅在

1050 ? C 下退火后, 其样品上的 PL 光谱如 图1所示, 可以看出纳米硅退火时间和退火方式 对局域态发光的明显影响. 图1(a) 显示在

100 Pa 氧气氛下制备的纳米硅在

1050 ? C 进行间断性退 火后的结果, 可以看出退火

10 min 后的 PL 光谱 带宽较宽, 退火

10 min +

10 min 后可观察到在

693 nm 处获得与 Si=O 键局域态发光相关的尖锐 PL 峰, 在此可获得发光的光学增益 [18,19] ;

但退火

10 min +

10 min +

10 min 后的光致发光已经很微 弱了. 而图

1 (b) 显示纳秒脉冲激光在

1 Pa 氧气氛 下制备的纳米硅在

1050 ? C 下的连续退火时间对 PL 光谱的影响, 可以看出随着退火时间增加, PL 发光逐渐消失, 我们注意到在

604 nm 处获得的与 Si―O―Si 键相关的较强的局域态发光 PL 峰. 因 此可以说, 采用适当的退火方式和退火时间是可以 获得尖锐发光峰和光学增益的. 纳米硅样品的激光退火实物如图

2 所示, 左图 为大光斑激光束照射到样品顶部, 使样品顶部保持

1000 ? C 以上的白炽颜色, 右图为激光退火后样品 顶部结构及晶畴变化. 纳米硅样品的激光退火 PL 光谱图如图

3 所示, 图3(a)、 图3(b) 和图

3 (c) 分别 显示在氧气、 六氟化硫、 空气氛围中制备的纳米硅 样品, 在不同的激光退火时间下的 PL 光谱. 可以 看出, 激光退火时间对纳米硅样品 PL 光谱峰形状 产生很大影响. 当退火时间低于

10 min 时, 显现出 较宽的谱带宽;

当退火时间超过

10 min 时, PL 光 谱带宽逐渐消失, 并在近600和700 nm处出现与局 域态发光相关的特征峰;

当退火时间继续增大, PL 谱线逐渐降低, 发光强度减弱. 图1(网刊彩色) 纳秒脉冲激光在氧气氛围制备的纳 米硅在

1050 ?C 下退火的 PL 光谱与退火时间变化关系 (a)

100 Pa 制备的纳米硅断续退火的 PL 光谱图;

(b)

1 Pa 制备的纳米硅连续退火的 PL 光谱图 Fig. 1. (color online) The relationship between the PL spectra and the annealing time of the nanosili- con prepared by nanosecond pulsed laser annealing at

1050 ?C: (a) PL spectra of nanosilicon prepared by