镶嵌于基质中硅纳米晶的微观结构及其发光机制研究进展

硅纳米晶材料显示出许多集成器件所需的性能,已倍受人们的关注,成为国内外研究的热点。本文对利用不同方法制备的硅纳米晶的微观结构进行了综述,并对两种不同的发光机制进行了概述。人们在硅纳米晶的制备和表征方面取得了较大的进展,但对硅纳米晶的发光机制还未完全了解,有待进一步的研究。     

硅纳米晶微观结构缺陷的高分辨电子显微学研究

利用离子注入结合后续高温退火的方法成功地制备出包埋在二氧化硅(SiO_2)基质中的硅纳米晶.利用透射电子显微学对所制备的硅纳米晶(离子注入浓度为3×10~(17)cm~(-2))的微观结构缺陷进行了详细的研究.通过高分辨像分析发现:较大的纳米晶(直径＞6nm)中存在很多面缺陷,主要为孪晶与层错.孪晶包括一次孪晶、二重孪晶、三重孪晶及五重孪晶.层错分为内禀和外禀两种类型,并讨论了内禀层错占多数的原因.除了面缺陷以外,还有一部分纳米晶中存在位错.     

NiO纳米晶的制备和电化学性能

用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺制备纳米NiO粉体,研究了烧结温度对其结构和电化学性能的影响.结果表明,以醋酸镍、柠檬酸、乙二醇为原料通过酯化-络合过程合成的凝胶,在烧结过程中在430℃完全分解并逐渐形成NiO纳米晶;随着烧结温度的升高,纳米NiO粉体的结构趋于完善、品粒尺寸逐渐增大,其电化学循环性能逐渐提高;在600℃烧结2 h可得到平均粒径约为40 nm、呈球形的NiO纳米晶颗粒.NiO纳米晶的首次和第10次充放电比容量分别高达850 mAh/g和471 mAh/g,具有良好的容量保持率,明显优越于用固相法制备的NiO粉体.     

不同晶型结构纳米ZrO_2的稳定化制备

采用共沉淀法制备了室温稳定存在的不同晶型纳米ZrO2粉体,用X射线衍射(XRD)、激光拉曼散射(Raman)、N2物理吸附、透射电镜(TEM)和动态光散射技术(DLS)等手段对其晶型结构、晶粒尺寸、比表面积和粒度分布进行了表征,研究了煅烧温度和改性剂掺杂量对晶型结构的影响。结果表明,无掺杂前驱体在850℃煅烧可得到m-ZrO2纳米粉体,比表面积为35.17 m2/g,晶粒尺寸为51.3nm;煅烧温度为600℃,Y2O3掺杂量为4.5%(摩尔分数)时纳米粉体的晶型结构为t-ZrO2,比表面积为39.01 m2/g,晶粒尺寸为19.2nm;煅烧温度为600℃,Y2O3掺杂量为8.5%时可得到比表面积为46.53 m2/g,晶粒尺寸为12.7 nm的c-ZrO2纳米粉体。     

分级氧化铟纳米结构的同质外延生长及发光性能

用无催化碳热还原法合成了大量三维分级的In2O3亚微/纳米结构,用XRD、SEM、TEM和EDS等手段对In2O3纳米棒的形貌、成分和结构进行了表征.结果表明:In2O3纳米棒为具有体心立方结构单晶,沿着<100>和<111>方向外延生长,属于自组装和气固外延生长机制.同质外延生长的分级结构是"二次成核"和气固生长协同...     

纳米晶的结构形貌控制及生长机理研究

综述了纳米晶研究的最新进展，着重介绍了纳米晶形貌、尺寸和结构控制的新方法，评述了纳米晶的相转变及生长机理研究的新发现和新观点，对其生长规律做了新的概述。诸如气氛、羟基、蛋白质等个别不被人们注意的因素有可能是影响纳米晶结构形貌的关键。STM等技术像温度、压力一样能够诱导纳米晶体的相转变。一种鲜为人知的现象在纳米晶合成研究中被揭示出来，即纳米晶在一定条件下存在着叠合生长现象，晶体的初始位错起源于纳米晶的叠合生长。     

表面态对纳米晶BaTiO3介电性能的影响

采用硬脂酸凝胶法制备了粒度均匀的纳米晶BaTiO3，用X射线衍射分析、红外光谱分析、透射电子显微镜对产物进行了表征，研究了表面态与介电性能。结果表明，BaTiO3纳米材料表面的不完整性主要是氧空位造成的，暴露在粒子表面的是一些金属离子，随着晶粒尺寸的减小，氧空位缺陷的浓度增加，极化增强，纳米材料的这种表面状态对其介电性能有重要影响，使其静态介电常数远比常规材料的大。     

硅纳米晶/SiO2多层薄膜的制备

采用射频磁控溅射结合后续热处理方法制备了镶嵌在SiO2基质中的Si纳米晶（nanocrystalline silicon,nc-Si）薄膜,实验结果表明,在单层nc-Si薄膜中,随着硅含量的增加,Si纳米晶的尺寸、分布密度也增加;在多层nc-Si/SiO2薄膜中,SiO2层会起到限制nc-Si层中Si纳米晶生长的作用,使多层结构中Si纳米晶的尺寸分布更加集中。     

Cu_2ZnSnS_4纳米晶及其薄膜的制备

以乙酰丙酮铜(Cu(AcAc)2)、乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)、氯化亚锡(SnCl2·2H2O)、升华硫(S粉)和十二硫醇为原料,用热注射法合成了Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米晶。再将Cu2ZnSnS4纳米晶制成胶体墨水,用旋涂法制备出Cu2ZnSnS4薄膜。用X射线衍射(XRD)仪、拉曼光谱(RS)仪、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线能量色散谱仪(EDS)和紫外-可见光谱(UV-Vis)分光光度计对CZTS纳米晶及薄膜的晶体结构、微观形貌、化学组成及光学性能进行表征,研究了注射温度对纳米晶结构、形貌、晶粒大小以及化学组成的影响以及热处理时间对Cu2ZnSnS4薄膜结构、形貌、化学组成和光学性能的影响。结果表明,在注射温度为180℃时合成的CZTS纳米晶为锌黄锡矿结构,平均粒径为18 nm。在500℃热处理2 h所制备出的薄膜,在可见光范围内其吸收系数高达104cm-1,禁带宽度为1.45 eV。     

沉淀法制备ZnS∶Cr纳米晶及其光学性能研究

以十二烷基苯磺酸钠和六偏磷酸钠作为分散剂,采用沉淀法制备了ZnS及不同掺杂浓度的ZnS∶Cr纳米晶。利用XRD和TEM对纳米晶物相和形貌进行了分析。结果表明,ZnS和ZnS∶Cr纳米晶均为立方闪锌矿结构,利用谢乐公式估算ZnS和ZnS∶Cr纳米晶平均粒径分别为2.1和2.2nm。TEM观察到纳米晶近似为球形,平均粒度为3nm左右,具有较好的单分散性且分布均匀。荧光光谱(PL)表明,纳米晶在420、440和495nm处有发射谱带,前两者被认为是S空位深陷阱发光,后者被认为是表面态或中心辐射复合发光。     

GaN薄膜大型V形表面坑的形成和光学性质

研究了用MOCVD设备在高温和低Ⅴ/Ⅲ条件下生长的GaN薄膜表面存在的与位错相连的大型Ⅴ形表面坑,并提出了一个有关质量疏运机制的模型以解释其形成机理.由衬底扩散上出来的Al原子对大型坑的形成具有辅助作用,并阻止了深能级杂质或空位缀饰与坑相连的位错.GaN内的位错是非辐射复合中心,但对深能级发光不起作用.     

浸泡后多孔硅的结构及光致发光特性

用电化学腐蚀方法制备了多孔硅样品,在浸泡液中浸泡使其表层多孔层与样品分离,在样品表面形成了丰富的SiO2包裹纳米硅颗粒结构,研究了样品的光致发光(PL)特性.结果表明,与剥离前相比,表层多孔层剥离后PL谱的强度约有10倍的增幅,峰位主要在蓝紫光范围内.在300℃干氧中退火后,样品的发光强度下降为退火前的三分之一,随着退火温度的升高,发光强度有所增强.退火前后有不同的发光机理,退火前光激发主要在纳米硅内,然后在二氧化硅层中的发光中心辐射复合;退火后光激发和光辐射都发生在二氧化硅层中.     

基于Si掺杂增强光吸收提升Li2SnO3 光催化降解四环素的研究

在Li₂SnO₃中掺杂Si,研究了Si掺杂Li₂SnO₃对四环素的光催化降解性能。结果表明,对Li₂SnO₃进行等电子Si掺杂使其光学吸收带隙减小和光吸收系数增大,提高了对四环素的光催化降解效率。等电子Si掺杂Li₂SnO₃为纯相不规则块状固体,随着Si掺杂量的增加其晶格参数呈减小的趋势。Si掺杂使样品的光催化性能显著提高。Si掺杂量为10%的样品,在紫外光照射25 min后光催化降解效率为75.8%,约为母体的2倍。Si掺杂Li₂SnO₃的光催化降解行为满足赝一级动力学模型,拟合速率常数为0.02464 min^-1。在Si掺杂Li₂SnO₃的价带顶形成的Si-O键减少了光学吸收带隙,使其光吸收能力增强。Si掺杂Li₂SnO₃的光催化降解机制,属于空穴主导型。     

半绝缘Si/SiO_2超晶格结构在交流电场下的电致发光特性

本文研究了SiO2和Si层的厚度分别为2-8nm和1.5-3nm的Si/SiO2超晶格在交流电场下的电致发光特性。以超晶格中SiO2层内加速的过热电子碰撞激发纳米Si层中密集的硅量子点,获得了Si/SiO2超晶格蓝绿色交流电致发光。Si/SiO2超晶格的电致发光亮度随电压升高呈现指数增强,最高发光亮度可达到1.4cd/m2。随着Si层厚度的增加,Si/SiO2超晶格电致发光谱的低能侧发光峰相对增强,可以归结为纳米Si层厚度对其中硅量子点尺寸分布的限制作用。当超晶格中SiO2层厚度小于过热电子的平均自由程时,过热电子的平均能量减小导致短波侧的发光强度迅速下降,电致发光强度随之迅速降低。     

多层复合结构应变硅材料的生长和特性

应用减压化学气相沉积技术,在弛豫Si0.7Ge0.3层/组分渐变Si1-xGex层/Si衬底这一多层复合结构的基础上制作了应变硅材料,其中组分渐变Si1-xGex层Ge的摩尔分数x从O线性增加到0.2.对该复合结构的性能进行了表征,由原子力显微镜和Raman光谱测试结果计算出应变硅层的表面粗糙度和应变度分别为4.12 nm和1.2%,材料中的位错密度为4×104cm-2.经受了高热开销过程后,应变硅层的应变度及其表面形貌基本上保持不变.     

羟基磷灰石晶体在有机膜上的受控生长

研究了十六胺有机膜对羟基磷灰石(HAP)的晶体结构、形核、晶体形貌和结晶学定向生长的调控作用及其机理.结果表明:无有机膜时,生成物为磷酸八钙(OCP)和羟基磷灰石(HAP)的混合物,其生长速率很低且晶体排列无一定规则;在十六胺有机膜的调控下,生成物为规则排列、沿(0001)定向生长、结晶良好的片状纳米羟基磷灰石晶体,且其形核和生长速率均很高十六胺有机膜上有大量极性强、电荷密度高的NH 3基团,它们通过静电作用在有机膜/溶液界面处形成局域过饱和浓度,促进羟基磷灰石晶体的形核;另一方面,十六胺有机膜的二维晶格尺寸与HAP(0001)面的晶格参数具有良好的匹配关系,构造了一个有利于HAP以(0001)面形核生长的结构框架,促进了HAP相沿(0001)方向的定向生长.     

Silicon nanocrystals synthesized by electron-beam co-evaporation method and their application for nonvolatile memory

In this paper, the silicon nanocrystals (Si NCs)/SiO₂ hybrid films designed for nonvolatile memory applications are prepared by electron-beam co-evaporation of Si and SiO₂. Transmission electron microscopy images and Raman spectra verify the formation of Si NCs. Metal-oxide-semiconductor capacitor structure with Si NCs embedded in the gate oxide is fabricated to characterize the memory behaviors. High-frequency capacitance-voltage and capacitance-time measurements further demonstrate the memory effect of the structure resulting from the charging or discharging behaviors of Si NCs. It is found that the memory window can be changed by adjusting the Si/SiO₂ wt. ratio in source material. The memory devices with Si NCs/SiO₂ hybrid film as floating gate yield good retention characteristics with small charge loss.     

Si nanocrystals formation in SiO2 by ion implantation: The effects of RTA and UV irradiation on photoluminescence

Si ion implantation was widely used to synthesize specimens of SiO₂ containing supersaturated Si and subsequent high temperature annealing induces the formation of embedded luminescent Si nanocrystals. In this work, the potentialities of excimer UV-light (172 nm, 7.2 eV) irradiation and rapid thermal annealing (RTA) to enhance the photoluminescence and to achieve low temperature formation of Si nanocrystals have been investigated. The Si ions were introduced at acceleration energy of 180 keV to fluence of 7.5 × 10¹⁶ ions/cm². The implanted samples were subsequently irradiated with an excimer-UV lamp. After the process, the samples were rapidly thermal annealed before furnace annealing (FA). Photoluminescence spectra were measured at various stages at the process. We found that the luminescence intensity is strongly enhanced with excimer-UV irradiation and RTA. Moreover, effective visible photoluminescence is found to be observed even after FA at 900 °C, only for specimens treated with excimer-UV lamp and RTA. Based on our experimental results, we discuss the effects of excimer-UV lamp irradiation and RTA process on Si nanocrystals related photoluminescence.