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SiO_2/Si(001)表面Er相关纳米结构及其光致发光性质研究

李娟  
【摘要】: 由于硅基发光材料在光电子集成中的潜在的应用价值,波长在1.5μm的硅基发光材料的研究引起了人们的广泛关注。然而,随着日益增长的信息传输需求,人们的需求不再仅限于传统意义上的1.5μm光纤通讯信息传输窗口。当今全波光纤通讯已经实现了1.280μm到1.625μm宽波段、低耗的信息传输。为了实现与其集成的、可调的、连续的宽带硅基发光器件,我们试图通过在Si(001)表面生长铒相关纳米结构的方式,在硅中引入有效的铒离子及缺陷相关发光中心。同时为了提高有效的铒离子发光和均匀的发光中心,在铒沉积前,我们首先在硅表面生长了一层超薄的二氧化硅膜,实现了铒在衬底表面的均匀分布和有效光激活的Er-O络合物。 本工作利用扫描隧道显微镜和光致发光谱,研究铒在SiO_2/Si(001)表面上形成的铒相关纳米结构的生长行为和光致发光性质。研究发现在不同的退火温度下可形成两类结构:纳米束和纳米线。与铒在清洁硅表面的生长形貌—纳米岛相比,纳米束的密度大一个数量级,且分布均匀。随着退火温度的升高,由于氧化层的分解,纳米束转变成类似晶状结构的硅化铒纳米线。我们的样品存在1.3μm(0.95eV)到1.6μm(0.78 eV)波段宽的发光能带,其形状和强度强烈地依赖于样品的生长过程。宽带发光波谱是由于Er~(3+)离子的发光谱置于缺陷相关的发光谱上得到的。由于Er~(3+)离子发光和D1缺陷发光性质的不同,通过实验分析,我们区分了Er~(3+)离子发光峰和D1发光峰,并得出我们样品中铒是有效光激活的。由于纳米束样品中Er-O络合物的存在,Er~(3+)离子的发光峰在发光谱中占主导地位。随着退火温度的升高,缺陷相关的发光峰在发光谱中占主导地位。


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