尺寸可控硅纳米晶的光学性质研究

硅纳米晶体粒子具有独特的光学和电学特性，对硅纳米晶的研究在硅基光子学和光电子学器件的研制中具有重要意义。项目拟首先建立由电子束热蒸发生长SiOx/SiO2(其中1<x<2)超晶格多层膜周期结构，通过高温退火来制备分布于SiO2基体薄膜中稳定的、尺寸可控且均匀分布的硅纳米晶的新方法；将主要利用椭圆偏振光谱学方法，并结合其它分析手段，来研究这种纳米尺度硅不同于体材料硅的复介电函数谱、复折射率等光学性质，以及与其尺寸的关系；同时研究薄膜体系在不同退火温度下由SiOx制备态到硅纳米晶终态的成分相变过程。探索这种尺寸可控纳米硅结构的生长机制及发光增强特性，并对这种硅纳米晶薄膜体系的椭偏数据分析建模。项目研究获得尺寸可控硅纳米晶的复介电函数谱、复折射率等光学性质及与其尺寸的关系，在微纳光子学基础研究方面具有创新性；同时，也是控制硅发光和波导传输所需要，具有应用价值。

硅是一种非常重要的半导体材料，硅纳米晶（nc-Si）日益引起研究者的广泛注意，为了更加深入了解硅纳米晶的光学特性以及应用环境，本项目制备不同尺寸硅纳米晶，针对其在不同温度下的光学特性进行了研究，同时讨论了造成其光学特性变化趋势的主要原因。主要研究内容及成果包括：..1、采用SiOx/SiO2（1<x<2）周期结构制备薄膜样品，通过控制SiOx层的厚度来限制硅纳米晶体的尺寸，从而得到多个具有不同尺寸、埋嵌于SiO2介质中的硅纳米晶体。通过近红外到近紫外波段椭圆偏振光谱仪，以及在其基础上研制的可控变温系统，实现了不同温度下样品椭偏参数的测量，并进一步获得不同温度条件下硅纳米晶薄膜样品光学常数的色散曲线。 .2、基于四振子的洛伦兹色散模型和 Maxwell-Garnett 有效介质近似模型，获得了硅纳米晶以及硅纳米晶与二氧化硅复合膜材料的介电常数和光学常数。通过分析不同温度下硅纳米晶的光学性质，得到了不同尺寸的硅纳米晶的光学性质随温度变化的规律。分析了其内部电声子相互作用的物理机制，对于深入了解硅纳米晶的结构特性有深远意义。 .3、在不同温度下硅纳米晶薄膜的色散曲线的基础上，绘制了不同尺寸的硅纳米晶 的E1 临界点随温度的变化曲线，变化结果符合Varshni 温度曲线模型，并给出了在此模型下硅纳米晶的带隙随温度变化的参数。.4、同时，本项目还主要应用椭圆偏振光谱测量方法，系统研究了其他几种重要光电子薄膜材料（如铁酸铋、二氧化钛、五氧化二钽，以及硅纳米阵列等）的光学性质随温度、结构、厚度、组分等因素变化的规律，并探讨其物理机理。..本项目在材料制备、微结构和物理特性三个方面开展工作，取得的成果对相关光电子纳米功能薄膜材料的物理性质基础研究、器件应用研究均有参考价值。