亚氧化硅薄膜晶化临界点微结构与发光性质研究

近年来的研究表明纳米硅是最有希望实现硅基高效发光的绿色环保材料之一，在太阳能薄膜电池、半导体发光、硅基光电单片集成等方面具有广阔的应用前景。虽然当前对纳米硅的各种研究很多，但对纳米硅发光机制的争论与提高其发光效率的努力一直存在。申请者在前期的研究中，发现在晶化温度附近出现一种结构有序度介于非晶硅和单晶硅之间的硅纳米颗粒，对应于光致发光谱中两个较强的发光峰，理论计算表明其发光效率为通常的纳米硅的五倍左右。本项目在此基础上，进一步以亚氧化硅薄膜在晶化点前后微结构与发光性质的内在关联为切入点，揭示临界状态硅纳米颗粒的微结构与其独特发光性质之间的关系，从而进一步澄清纳米硅的发光机制；探索利用亚氧化硅薄膜制备高密度临界状态硅纳米颗粒的技术及其在硅基光电单片集成中的应用。

纳米硅是最有希望实现硅基高效发光的绿色环保材料之一，在太阳能薄膜电池、半导体发光、硅基光电单片集成等方面具有广阔的应用前景,对纳米硅发光机制的争论与提高其发光效率的努力一直存在。本项目通过亚氧化硅薄膜的电子束制备实验，优化了电子束蒸发亚氧化硅粉体颗粒制备亚氧化硅薄膜的真空度、氧气流量、衬底温度等制备参数，成功的在单晶硅和融石英衬底上制备了厚度可控、硅氧含量比可调、大面积均匀的亚氧化硅单层薄膜。对临界状态的硅纳米结构及其发光性质进行了深入的分析，其较强的两个发光峰发光机理分别是处于临界状态的硅纳米颗粒内部的缺陷发光与界面态发光。同时在亚氧化硅薄膜中也观察到了纳米硅的发光，并观察到量子限制效应导致的发光峰的移动。揭示了临界状态硅纳米颗粒的微结构与其独特发光性质之间的关系，对于澄清纳米硅的发光机制具有重要的意义。在对薄膜进行非接触、无损的椭圆偏振光谱检测过程中，发明了一种在190-1700nm范围内的单色仪连续波长校准方法。此校准方法较传统的特征波长校准方法具有操作简单，校准速度快，可连续波长校准的优点，具有非常重要的应用价值，并已获得发明专利授权；同时还发现一种对波片光轴快速精密定位的方法，解决了波片光轴定位复杂不易操作、定位精度低的难题，对于相关的军用、科研用高精度光学滤波器类光学组件的组装制备具有重要应用价值，相关研究结果已发表于《光谱学与光谱分析》杂志。研究小组还同时研究了利用飞秒超快激光烧蚀单晶硅直接制备纳米硅的新方法，同时观察到飞秒激光辐照在硅表面形成微结构的现象，分析了相应的机理，对于硅表面功能型微结构的制备具有一定的指导意义。在硅基相变研究的基础上，小组拓展了研究视野至Sb2Te相变材料，Sb2Te相变材料在高密度高速相变存储领域非常有应用前景，本研究小组在相变材料制备、掺杂改性、存储器件设计等方面取得了一些很好的前期研究成果，提高相变速度至10ns，设计了一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法，相关研究结果已发表于《ECS Solid State Letters》杂志，并申请发明专利4项。