文档介绍：硅基发光纳米结构的设硅基发光纳米结构的设
计及其应用展望计及其应用展望
第二讲
发光多孔硅发光多孔硅
¾ 对于多孔硅,人们最感兴趣的是它的光学性质,尤其
是它的发光特性。间接带隙的单晶硅只能发射微弱的
红外光,而经过阳极化处理后得到的多孔硅却能发射
较强的近红外、可见和近紫外光,而人们关注的还是
PS在整个可见光波段(S带)的发光。
发光多孔硅发光多孔硅
¾ 光谱分析是对材料的发光特性进行研究的有效方法。
当光照射在多孔硅表面上时会产生电子和空穴,辐
射复合发射的光线被收集和分析。光致发光过程包
括三个环节:首先是光吸收过程,并因此激发产生
电子一空穴等非平衡载流子;其次是非平衡载流子
的输运和电子一空穴对的复合过程;第三是辐射复
合产生的光子在样品中传播并发射的过程。通过对
光致发光光谱的研究可以了解材料的许多性质,如
电子带隙结构、电子一声子的耦合、杂质中心和缺
陷特性等。
发光多孔硅发光多孔硅
¾ 研究表明,多孔硅的发光与孔度(孔隙率)有关。
低孔度的多孔硅基本上无荧光发射,孔度达到
60 % ,在近红外区开始出现荧光;孔度在70%
以上,荧光开始从红外区进入可见光区;孔度
为80 %以上,可进入橙光段。不仅是发光峰
位,而且其发光的强度也与孔隙率有关,研究
表明提高孔隙率是提高多孔硅发光强度的必要
条件。
发光多孔硅发光多孔硅
¾ 多年来,人们对多孔硅发光机理一直进
行着坚持不懈的探讨和研究,提出了许
多种解释多孔硅层(PSL)发光的模型
发光多孔硅发光多孔硅
¾ 11 量子限制模型量子限制模型
¾ 量子限制模型是由Canham 提出的第一个解释室温下
多孔硅发光的模型。该模型认为,量子限制效应扩大了
纳米尺寸硅结构的带隙,使多孔硅发出可见光,而且高
孔度的多孔硅光致发光峰波长比普通多孔硅更短
发光多孔硅发光多孔硅
¾ 除了研究者利用各种显微镜观测到纳米硅表面的
纳米结构以外,QC效应最为直接的证明就是随
着纳米硅中纳米颗粒尺度的减小,所发出光的光
谱出现蓝移现象。这是由于在纳米晶粒中,光照
产生的电子和空穴不再自由(此电子一空穴对类似
于宏观晶体材料中的激子),由于空间的强烈束缚
导致激子吸收峰蓝移,带边以及导带中更高激发
态均相应蓝移,并且其电子一空穴对的有效质量
越小,电子和空穴受到的影响越明显,吸收阈值
就越向更高光子能量偏移,量子尺寸效应也就越
明显。
发光多孔硅发光多孔硅
根据声子限制模型,我们可以计算
出硅纳米晶粒平均尺寸约为。
nm
硅纳米晶粒尺寸分布在1 – 10 nm 。
发光多孔硅发光多孔硅
随着激发波长的增加,其380 nm谱线激发下的425 nmPL的峰的半PL峰
随着激发波长的增加,其PL峰的位
强度最大。峰宽单调递减。假设对于不同尺寸硅425 nm的发光能量正好对
置也单调增加。肩峰经计算来自于甲
nm硅纳米晶粒的能隙。由于
苯的拉曼散射信号,与硅纳米晶粒的
生不同能量的自由激子, nm的硅纳米晶粒分布最
PL峰正好有所交叠。
PL多,可以想象谱半峰宽应该归因于不断减少的可425 nm的发光应该是最
强的。
被激发的硅纳米晶粒。
发光多孔硅发光多孔硅
HOMO-LUMO能隙(Δ)顺序是:
Δtoluene < Δbenzene <
Δchloroform < Δwater
390 nm的PL峰强度变化是:
Itoluene > Ibenzene > Ichloroform >
Iwater
Water Chloroform Benzene Toluene
HOMO/. - - - -
LUMO/.
Δ/.