1 贵州大学 材料与冶金学院 纳米光子物理研究所，贵阳 550025
2 海南师范大学 物理与电子工程学院，海口 571158
3 中国科学院地球化学研究所 环境化学国家重点实验室，贵阳 550003
4 复旦大学 表面物理国家重点实验室 微纳光子结构教育部重点实验室，上海 200433
在氧化硅上生长纳米硅晶，保持氧化硅的直接带隙结构，降低其能带带隙，以用于发光和光伏。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了块体α-方石英、薄膜α-方石英、Si/SiO2界面的电子态结构和Si/SiO2界面的光学性质。结果显示，其均为直接带隙半导体，当薄膜α-方石英厚度和Si/SiO2界面氧化硅层厚度逐渐减小时，能带带隙均逐渐变大，表现出明显的量子限制效应。光学性质计算结果表明：Si/SiO2界面虚部介电峰和吸收峰的峰值随氧化硅层厚度降低而显著升高，且峰位向高能量方向蓝移。使用脉冲激光沉积制备了氧化硅上硅晶薄膜，测量了Si/SiO2界面样品的PL光谱，在670 nm处存在一个强的发光峰，在波长超过830 nm后，Si/SiO2界面样品的发光强度不断升高。因此，可以通过控制Si/SiO2界面氧化硅层厚度有效地调控Si/SiO2界面的电子态结构和光学性质，引进边缘电子态，调控其带隙进入1~2 eV区间，获取硅基发光材料。
第一性原理 电子态结构 直接带隙 光致发光 First principles Electronic structure Direct band gap Photoluminescence
1 贵州大学纳米光子物理研究所, 光电子技术与应用省重点实验室, 贵州 贵阳 550025
2 中国科学院地球化学研究所, 矿床地球化学国家重点实验室, 贵州 贵阳 550003
用脉冲激光制备纳米硅的过程中，在Purcell腔中会形成等离子体晶格结构，这是等离子体激元与光子相互作用的结果，其形成的等离子体晶格与Wigner晶体结构很相似。利用光致发光光谱研究局域态发光特征从而去控制纳米硅结构的发光，在氧气或氮气环境下制备纳米硅样品，由于表面键合作用形成电子局域态会产生几个特征发光峰，分别位于560、600 和700 nm 附近。在氧气环境下用激光照射硅晶片形成硅量子点，可以观察到样品的拉曼光谱随着测量温度的增加而产生频谱移动，这个过程伴随着声子能量的变化。温度较高时，光致发光峰强度下降，同时发射频谱变宽。在77 K 时，可以观察到光致发光峰的红移，这表明局域态发光在纳米硅发光的激活起着重要作用。在带隙中产生的局域态取决于表面键合的情况，表面键合可以激活硅量子点而增强发光。在硅薄膜上掺入稀土金属镱会形成电子局域态发光，可将电致发光的波长调控进入光通讯窗口。
物理光学 纳米硅 光致发光 等离子体激元 局域态 中国激光
2015, 42(12): 1217001
1 贵州大学 纳米光子物理研究所,光电子技术和应用重点实验室, 贵阳 550025
2 复旦大学 表面物理研究所,物理部, 上海 200433
3 中国科学院 国家矿床地球化学重点实验室, 贵阳 550025
用纳秒强激光脉冲制备了纳米硅和硅表面的硅镱键合结构,检测了纳米硅表面硅镱键合的发光特性,并对这种结构相应的光致发光(PL)和电致发光(EL)的动力学机理进行了研究.观察到纳米硅表面硅镱键合在700 nm附近尖锐的强发光峰,结合第一性原理计算认为是硅镱键合在弯曲纳米硅表面的局域态发光;利用纳秒脉冲激光沉积技术(PLD)制备多晶硅薄膜,发现由硅镱界面的失配形成表面的突触,其上的硅镱键合产生带隙中的电子局域态,该局域态发光分布在1250~1650 nm波长范围,有增强的EL发光;用PLD方法制备硅镱多层膜量子级联结构,测量到光通信窗口的多个发光峰,并观察到随膜层数增加且发光峰增多.
光致发光 电致发光 调节波长 Si－Yb量子级联 photoluminescence electroluminescence manipulating wavelength Si－Yb quantum cascade 强激光与粒子束
2015, 27(7): 074103
贵州大学纳米光子物理研究所 光电子技术与应用省重点实验室, 贵州 贵阳550025
将纳米硅薄膜看成理想的一维限制的量子面结构, 通过第一性原理计算研究了不同厚度的硅(111)量子面的能带结构及态密度。随着量子面厚度的变化, 在Si—H键钝化较好的量子面结构上, 其带隙宽度变化主要遵循量子限制效应规律。当在表面掺杂时, 模拟计算表面含Si—N键的硅(111)量子面的结果表明: 在一定厚度范围内, 带隙宽度主要由量子限制效应决定; 超过这个厚度, 带隙宽度同时受量子限制效应和表面键合结构的影响。保持量子面厚度不变, 表面掺杂浓度越大则带隙变窄效应越明显。同样, 模拟计算含Si—Yb键的硅(111)量子面的结果也有同样的效应。几乎所有的模拟计算结果都显示: 量子面的能带结构均呈现出准直接带隙特征。
硅量子面 表面键合 量子限制效应 带隙变窄效应 silicon quantum surface surface bond quantum confinement effect band gap narrowing effect
1 贵州大学 贵州省光电子技术与应用重点实验室,贵州 贵阳550025
2 中国科学院地球化学研究所,贵州 贵阳550003
脉冲激光在SiGe合金样品表面可以形成量子点结构。样品退火处理后,在720-800 nm光谱区域内存在一些受激发射峰,并且这些受激发射峰有明显的阈值行为。实验发现从Si量子点到SiGe量子点结构的变化将导致受激发光峰有明显的红移现象。由傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析得到:SiGe合金上氧化层中的量子点同时含有Si=O和Ge=O双键结构,这种结构可以形成电子的局域陷阱态(或陷阱态的激子)。计算显示:在SiGe量子点中Ge=O双键可以减小半导体样品中价带和局域陷阱态之间的距离。这就解释了SiGe量子点受激发射的红移现象。
SiGe量子点 受激发射 陷阱态 红移
1 贵州大学 贵州省光电子技术与应用重点实验室,贵阳 550025
2 中国科学院 地球化学研究所,贵阳 550003
经激光辐照和高温退火后能够在硅基上生成氧化多孔硅结构。用514 nm的激光泵浦,观测到该多孔硅的受激辐射。当激励强度超过阈值时,在650～750 nm区域有很强的受激发光峰。这些受激发光峰的半高宽小于0.5 nm。激光辐照和高温退火后,在样品上能形成某些特殊的氧化结构。在傅里叶红外光谱分析中,显示有硅氧双键或硅氧桥键在硅表面形成。计算结果表明:当硅氧双键或硅氧桥键形成时,电子的陷阱态出现在纳晶硅的带隙中。价带顶和陷阱态之间的粒子数反转是解释这种受激辐射的关键。
受激辐射 多孔硅 量子点 陷阱态 stimulated emission porous silicon quantum dots trap states
1 贵州大学 贵州省光电子技术与应用重点实验室，贵阳 550025
2 贵州教育学院 物理系，贵阳 550003
将功率密度约为0．5J·s－1·cm－2、脉冲宽度约为8 ns、束斑直径为0．045 mm、波长为1064nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔，在孔内的侧壁上形成较规则的网孔状结构；该结构有很强的光致荧光，其强度比该样品的瑞利散射强；发光峰中心约在700 nm处。在无氧化的环境里用激光加工出的硅样品几乎无发光，这证实了氧在光致荧光增强上起着重要作用。用冷等离子体波模型来解释孔侧壁网孔状结构形成的机理，并用量子受限－发光中心模型来解释纳米网孔壁结构的强荧光效应。当激光辐照时间为9 s时，孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定，且有较强的光致荧光。
激光辐照 纳米网孔壁 光致荧光增强 氧化 Laser irradiation Hole-net structure Photoluminescence enhancement Oxidation
1 贵州大学理学院光信息物理实验室，贵州 贵阳 550025
2 贵州教育学院物理系，贵州 贵阳 550003
3 中国科学院贵阳地球化学所电镜室，贵州 贵阳 550003
采用氧化和析出的方法在氧化硅中凝聚生成锗纳米晶体量子点结构。其形成的锗晶体团簇没有突出的棱角和支晶结构，锗晶体团簇的轮廓较圆混，故可以用球形量子点模型来模拟实际的锗晶体团簇。对比了在高温(800℃～1000℃)条件下和在低温(200℃～500℃)用激光照射条件下所生成的锗纳米晶体结构的PL光谱和对应的锗纳米晶体团簇的尺寸分布。低温用激光照射条件下所生成的锗纳米晶体较小，其PL光谱出现蓝移。用量子点受限模型计算了锗纳米晶体团簇的能隙结构，用Monte Carlo方法模拟了PL光谱和对应的锗纳米晶体团簇的尺寸分布，分别与实验结果吻合较好。
光电子学 量子点 锗团簇 光致荧光谱 optoelectronics quantum dots germanium clusters PL spectra
1 贵州大学物理系,贵州贵阳 550025
2 中国科学院地球化学研究所电镜室,贵州 贵阳 550003
我们将SiGe合金在干氧吹气环境下以不同的温度和不同的时值进行氧化处理,用卢摄福散射仪RBS和高精度椭偏仪HP-ESM测量样品,获得10～80nm厚的硅氧化层和1nm厚的富锗层.新发现快速氧化生成的氧化膜表面有1～2 nm厚的锗层.分析了锗纳米结构对应的PL发光谱,注?獾秸嗄擅撞愣杂Φ?41nm波长的尖锐的发光峰和不同尺寸的锗原子团对应的从550～720 nm波长的发光带.从量子受限模型和局域密度泛函计算出发,合理地解释了实验的结果.
光电子学 纳米结构 Ge团簇 发光谱 optoelectronics nanostructure Ge cluster PL spectra
