有序胶体硅纳米晶的脉冲激光液相烧蚀制备及其光电特性调控研究

Physics and applications research of colloidal nano-optoelectronics is the frontier of condensed matter physics. In this project, the improvement of charge carriers transport properties is proposed to be realized through optimizing growth conditions and choosing ligand, the energy-band structures control and applications of silicon nanocrystals (Si NCs) will also be studied. On the basis of obtaining the size controllable and effective room temperature luminescence of the orderly colloidal Si NCs, the order degree and uniformity of Si NCs thin films will be controlled by optimizing preparation parameters, and the surface functionalization and impurity doping are used to enhance electronic couplings and thin films mobility between Si NCs. In combination with structural analysis, optoelectronic experiments and transportation theory, the physics pictures of Si NCs structures, thin films microstructures, carrier transport processes, energy-band structures, photoelectric responses and the interrelated laws among them will be systematically studied. The focus of this procedure is to clarify the influence of surface functionalization, impurity doping, grain size and crystal structures on the mobility, energy-band structures, photo excitation and transportation processes. Based on the above studies, the high efficiency (10%) Si NCs-based light emitting diodes is expected to be integrated, which can promote the further development of colloidal nano–optoelectronics.

胶体纳米光电子学的物理与应用研究是目前凝聚态物理学科前沿。本课题提出通过生长条件的优化和配体选择来改善硅纳米晶 (Si NCs) 中的载流子输运特性；在制备尺寸可控及具有有效室温发光的有序胶体Si NCs结构基础上，通过改变制备参数来调控胶体Si NCs结构薄膜有序度和均匀性，利用表面功能化和杂质掺杂来提高Si NCs微结构间的电子耦合和薄膜迁移率。采用结构分析、光电实验和载流子输运理论等实验和理论相结合的方法，系统地研究Si NCs及薄膜的微观结构、载流子输运过程、能带结构变化与光电响应调控及其相互关联的物理图像和规律。集中研究表面功能化、杂质掺杂、晶粒尺寸和晶格结构对薄膜迁移率的影响、微观能带结构变化、光激发及光生载流子输运过程的调控；并在此基础上尝试集成高效率(10%) Si NCs结构发光二极管，推动胶体纳米光电子学的进一步发展。

本项目顺利完成了原计划中提出的研究内容和研究目标。我们首先利用脉冲激光液相烧蚀技术在己烯溶液中制备了具有良好分散性和表面功能化的胶体硅纳米晶(Si NCs)，详细研究了其结构和光学性能。研究结果表明，所制备的胶体Si NCs的平均尺寸约为2-7 nm, 并且长时间均匀地分散在己烯溶液中而不发生聚集。根据紫外可见光谱吸收、温度依赖性发光光谱、时间分辨光谱和光致激发光谱研究可知，所制备的胶体Si NCs的室温发光主要是蓝光(~3.0 eV), 其发光机制主要是激子经由胶体Si NCs表面的宇Si-C or Si-C-H2 相关的化学键辐射跃迁复合所致。.激光参数（激光能量、烧蚀时间）对所制备的胶体Si NCs的结构和光学性能具有非常重要的影响。随着激光能量从1.0 增加至 2.5 mJ/cm2时，Si NCs的尺寸从0.97 增大至2.37 nm, 且均能长时间良好地分散在十八烯溶液中。光学性能研究发现，Si NCs的室温光致发光位于蓝-紫光范围内。发光能量位于~3.0 eV的紫光主要是起源于Si NCs的量子限制效应，而能量位于~2.86 eV的蓝光起源于与氧有关的表面态。同时，激光烧蚀时间是制备具有良好分散性和表面功能化胶体Si NCs的一个非常重要的参数。研究表明，随着激光烧蚀时间从30 min增加至120 min, 所获得的Si NCs的尺寸相应地从4.23 nm 减小至1.42 nm, 其室温荧光量子效率相应地从23.6% 增加至 55.8%. .获得具有高荧光量子效率的Si NCs是使得Si NCs在光电器件得以实际应用的基本保障。研究发现，HF溶液对Si NCs的荧光量子效率具有非常重要的影响，随着HF溶液浓度从0增加至11.1%时，Si NCs的荧光量子效率相应地从16.3% 显著地升高至 76.5%. 这主要归因于HF可以很好地钝化Si NCs表面的缺陷和非辐射复合中心。.另外，硼、磷掺杂的胶体Si NCs的结构和光学性能也进行了详细地研究。当硼、磷轻掺杂时，硼、磷主要位于Si NCs的表面；而当实施重掺杂时，一部分杂质原子被吸附在Si NCs的表面，一小部分被吸入至Si NCs晶核内部，从而会在Si NCs的带隙中引入杂质能级，导致Si NCs的荧光量子产率降低。