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SiO_2玻璃中半导体纳米晶的制备和辐照效应研究

陈美艳  
【摘要】: 半导体纳米材料具有优异的光电性能,在非线性光学器件、光电功能材料等方面具有极为广阔的应用前景。锗作为一种典型的半导体材料,对它的研究一直有着重要的应用背景。Ge-SiO_2这种复合结构的光学性质,尤其是发光性能已经引起了国内外研究者的极大兴趣。 本文采用光吸收、光荧光、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X—Ray光电子能谱(XPS)测试和TRIM96模拟程序,分别研究了石英玻璃中植入型Ge纳米晶的光学和微观结构特征,并对比研究样品在热退火和辐照处理后,光学性能和微观结构上的变化。主要得到以下结果: 1.室温下石英玻璃中注入能量为56keV、注量为1×10~(17)cm~(-2)的Ge~+离子,直接形成Ge纳米晶。离子注入过程在基体中引入大量缺陷,紫外区吸收显著增强,但没有明显的吸收峰出现。 2.注入态样品分别在O_2,N_2和Ar气氛中等时退火。O_2气中退火样品在240nm处出现一个明显的由GeO缺陷引起的吸收峰,N_2气中退火样品在418nm处有一个由Si—N化学键引起的吸收峰,Ar气中退火样品没有观察到吸收峰出现。各种气氛下的退火过程中,随温度升高,辐照损伤程度减小,吸收边逐渐蓝移变陡。 3.注入态样品在各种气氛中退火后均观察到由GeO缺陷引起的两个较强紫外荧光峰,分别位于294和386nm处,氧气中退火样品紫外荧光峰强度最大。退火过程中,靠近表面的Ge元素逐渐向外扩散,位于基体内部的锗纳米颗粒长大。1000℃退火后大量的Ge元素扩散到基体外部。 4.注入态样品中Ge元素以Ge~0、GeO和GeO_2的形式存在;600℃退火后Ge元素以Ge~0,GeO和GeO_2的形式存在;1000℃退火后,GeO_2分解成GeO,GeO是最稳定的一种结构,但仍然有少量Ge~0存在。 5.用能量为60 keV的N~+离子辐照注入态样品。辐照后样品吸收边蓝移变陡,GeO缺陷引起的荧光峰(294nm)出现。辐照后样品中观测到显著的位错环。Ge仍然以Ge、GeO和GeO_2的形式存在,有少量SiN化合物形成。N~+离子辐照后样品在氩气中于500℃退火后,出现一个明显的位于418nm的吸收峰,550℃退火后最强,与N气中退火结果相似,是由硅氮化合物(Si_3N_4或者SiO_xN_y)引起的。 6.用波长为1.064μm、脉宽约3ns、能量阈值100 mJ/cm~2的Nd:YAG单纵模调Q激光器辐照注入态和N~+离子辐照后的样品。样品表面观测到明显的由激光辐照引起的损伤及熔化波纹。辐照后样品表面更光滑,缺陷减少,吸收边蓝移。注入态样品经激光辐照后,240nm波长光激发下只观察到294nm处荧光峰。


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