多孔硅基光电子材料的制备和性能研究

摘要

多孔硅的研究与开发对于实现硅基光电集成电路具有重要意义。稀土掺杂多孔硅可以获得从紫外、可见到红外波段的有效发光，可应用于各类光电器件中。本论文主要在多孔硅的制备工艺改进和稀土掺杂对多孔硅发光性能改善方面开展了工作。同时对多孔硅的整流特性、场发射性质以及多孔硅衬底对薄膜发光材料发光性能的影响进行了研究。得到了以下主要结论： (1)多孔硅的制备工艺改进：研究了腐蚀电流、退火对多孔硅发光性能的影响；金属(铁)掺杂对多孔硅发光的影响；多孔硅的纳米颗粒在溶液中的发光；湿法腐蚀，可以得到不同波长的多孔硅的发光；发现了制备方法更为简便的镍酸镧电极取代铝电极工艺。 (2)稀土掺杂对多孔硅发光性能改善：用电化学方法对多孔硅薄膜进行了稀土(Tb、Gd、Pr、Dy、Sc)离子的化学掺杂。利用荧光分光光度计测试了样品的光致发光(PL)特性。用扫描电镜(SEM)研究了薄膜的表面形貌。用卢瑟福背散射谱(RBS)分析了稀土离子在多孔硅薄膜中的分布情况。结果表明，Tb的掺入显著增强了多孔硅的发光强度，并且发光峰位出现蓝移。这是由于Tb3+的4f能级5D4-7F3，5D4-7F2和5D4-7F0的跃迁发光引起的。而在掺入Gd的情况下，则观察到蓝光发射。Dy的掺杂可产生较强的蓝光发射，其强度可与多孔硅的红光强度相比较，适当的Pr和Sc的掺杂也可一定程度地增强多孔硅的蓝光发射。 发现稀土掺杂增强了多孔硅的蓝光发射，尤其是稀土掺杂多孔硅后产生蓝光发射的可能机理为：稀土掺杂引入新的表面态，形成硅、氧、稀土间新的键合方式O-Si-O-Re-O，从而在多孔硅表面形成新的发光中心；稀土离子丰富的能态在多孔硅发光过程中起到了能量传递作用，从而增强了多孔硅的蓝光发射。(3)多孔硅衬底对薄膜发光材料发光性能的影响：将TiO2∶Eu3+薄膜沉积到4种不同的基底：Si，Al，AAO(氧化铝模板anodicaluminaoxide)和多孔硅。我们发现稀土在AAO做基底时的发光强度与Si或Al做基底时相比增强了4倍，稀土的发光强度在多孔硅做基底时与Si或Al做基底时相比有明显降低。稀土的发光强度在多孔硅做基底时与Si或Al做基底时相比有明显降低的主要原因是多孔硅的表面颜色呈黑褐色，深颜色的表面吸收光多，反射的少。而抛光过的Si和Al能很好的反射光。我们知道TiO2∶Eu3+薄膜是透明的，基底的好的反射性是有助于其上薄膜的有效发光的。下面一种情况也是可能的，多孔硅中的纳米硅比体硅吸收更多的紫外光，从而基底的反射降低。通过分析光致发光的发射和激发谱，我们得到能量传递机制中有从TiO2基体到Eu3+的能量传递。在Eu3+的原子浓度高达7.69％时，没有观察到浓度猝灭。 (4)多孔硅的场发射、整流特性：我们制备了具有弹道电子发射的特殊多孔硅结构，测试了其场发射性能。发现经过电化学氧化，多孔硅场发射性能提高，开启电压降低，发射电流增强。腐蚀电流匀速变小制备的多孔硅，和腐蚀电流不变制备的多孔硅相比，是一种有效的改善场发射性能的方法。关于多孔硅的整流特性，我们得到如下结论：多孔硅用浓硫酸电化学氧化后，多孔硅的整流特性消失；多孔硅在氮气氛中退火，其整流特性得到提高。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章多孔硅的制备及发光性能研究

第三章稀土掺杂多孔硅的发光性能研究

第四章多孔硅的电学性能研究

第五章总结

附录

致谢