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...》

100 Pa intermittent annealing;

(b) PL spectra of nanosilicon prepared by

1 Pa continuous annealing. 图2激光退火实物图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 光退火后样品顶部的晶畴变化 Fig. 2. The real object of laser annealing, the left picture shows the large spot laser beam irradiates the sample top, and the sample top keep above

1000 ?C in- candescent color. The right picture shows the changes of crystal domain at the top of the sample after laser annealing. 104202-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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104202 无论是热退火还是激光退火使纳米硅样品晶 化, 随着晶化时间的增加, 纳米硅PL光谱带宽都逐 渐减小, 晶化一定时间后, 局域态PL光谱峰开始凸 显, 当晶化时间继续增加时, PL 发光逐渐减弱. 整 个过程的晶化情况, 我们可以通过电子束辐照在纳 米硅样品上来时时观察. 图3(网刊彩色) 在(a) 氧气, (b) SF6, (c) 空气中制备的纳米硅样品的激光退火后的 PL 光谱 Fig. 3. (color online) PL spectra of laser annealing of nanosilicon samples prepared in: (a) Oxygen;

(b) SF6;

(c) air. 图4显示电子束辐照在纳米硅样品上的晶化 结果的 TEM 图, 可以观察到纳米硅样品的晶化过 程. 图4(a) 和图

4 (b) 分别显示电子束辐照在氧气 和氩气氛围中制备的纳米硅样品上

5 min, 几乎都 看不到量子点出现, 说明电子开始辐照时段, 纳米 硅样品晶化程度小, 大部分仍为非晶硅;

图4(c) 显 示电子束辐照在氮气氛围中制备的纳米硅样品上

15 min 时可观察到量子点已经出现;

图4(d) 显示 电子束辐照在镱掺杂纳米硅样品上20 min, 可看到 量子点颗粒大小比较均匀;

图4(e)、 图4(f)、 图4(g) 分别显示电子束辐照在氩气、 氮气氛围和镱掺杂的 纳米硅样品上30 min, 可以看到球形量子点已遭到 破坏, 并相互聚集成为凝聚体的结构. 结合热退火、激光退火使样品晶化的 PL 光 谱图和电子束辐照使样品晶化的过程, 可建立晶 化过程影响纳米硅 PL 发光的物理模型, 如图

5 所示. 图5(a) 显示纳米硅样品受作用较短时间 (如5min) 的电子能态分布, 此时, 纳米硅样品晶化程 度小, 颗粒尺寸分布的范围较广, 因量子受限效应, 电子能态范围被展宽, 导带里的部分电子可以移动 到Γ区局域态而形成准直接带隙, 因此 PL 光谱为 量子受限效应引起的能态展宽的导带底电子和被 俘获进入局域态的电子形成的竞争增强发光, 此时 能进入局域态形成准直接带隙发光的电子还较少, 留在导带底的间接带隙发光的电子仍然很多, 因此 没有哪一方发光占优;

晶化一定时间(如20 min)后 的能态分布如图

5 (b), 纳米粒子尺寸范围减小, 同 样因量子受限效应, 导带底的电子能被提高且分布 范围变窄, 所以光谱带宽减小, 此时被俘获进入局 域态的电子增多, 结果导致局域态发光在竞争中占 优, 量子受限发光减弱;

当晶化更长时间 (如大于

30 min) 时, 硅纳米颗粒聚集为凝聚体, 使尺寸变 大, 导带底电子能降低, 量子受限效应与局域态效 应均逐渐降低, 电子的跃迁为间接带隙跃迁, 发光 效率降低, 如图

4 (c)所示. 104202-3 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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104202 图4电子束辐照下纳米硅样品随辐照时间........