硅纳米晶体及铁酸铋薄膜的光学性质研究

摘要

椭偏光谱测量是一种非接触、非破坏性的光学分析技术，由于其尤其适合薄膜测量，因此椭偏光谱测量是研究薄膜材料光学性质的重要手段之一。为此，本文选取采用椭偏测量技术对硅纳米晶体(Si nanocryastals)和铁酸铋(BiFeO3)薄膜进行光学性质的研究作为主要内容:
　　1.目前对硅纳米晶体的研究主要集中于尺寸分布小、光致发光谱较窄且随尺寸可控的样品，本文采用了SiOx/SiO2(1＜x＜2)周期结构制备薄膜样品，通过控制SiOx层的厚度来限制硅纳米晶体的尺寸，从而得到多个具有不同尺寸、埋嵌于SiO2介质中的硅纳米晶体。在良好的尺寸控制基础上，制备了两种尺寸硅纳米晶体复合的样品，通过调节样品中硅纳米晶体尺寸以及两种尺寸晶体的配比，得到光致发光谱峰位及其峰高可调节的宽发光光谱。
　　硅纳米晶体的光学性质与发光机理一直是研究的热点。通过对2nm、3nm、5nm和6nm的硅纳米晶体样品进行椭偏测量及数据拟合，得到了不同尺寸硅纳米晶体的光学常数及禁带宽度，其中利用Lorentz振子模型和Forouhi-Blommer模型拟合得到的光学常数结果相一致，表面了拟合的准确性。拟合得到的禁带宽度变化规律符合量子限制效应，并与文献中理论计算结果相一致;对这四个样品进行PL谱表征，发现其PL峰值能量和禁带宽度之间有着明显的差距，通过假设分析并与文献对比，得到硅纳米晶体的发光受到量子限制效应及界面态的共同影响，并且界面态的影响随着硅纳米晶体的尺寸减小而增大。
　　利用实验室自制的电子束蒸发系统尝试性制备了硅纳米晶体，测量得到730nm和830 nm两个峰位的光致发光谱，利用量子限制-发光中心模型对结果进行了很好解释。
　　2.铁酸铋是目前研究最多的多铁性材料，对其基本光学性质的研究有助于其相关器件的制备。本文利用激光脉冲沉积方法制各了结构为SrTiO3/SrRuO3/BiFeO3的样品，并单独测量了BiFeO3薄膜、电极层SrRuO3以及基底SrTiO3在波长300-800 nm光谱范围内的椭偏参数。采用逐层拟合分析的方法，分别拟合得到了基底SrTiO3和电极层SrRuO3的光学常数，再利用四个振子的Lorentz色散模型获得BiFeO3薄膜的光学常数。与文献中理论计算对比结果相近，各振子中心能量的物理意义能够得到解释;利用Tauc理论计算得到BFO薄膜样品的带隙宽度为2.66 eV。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 椭圆偏振光谱测量技术的发展和应用

1．2 硅纳米晶体研究背景

1．3 铁酸铋的研究背景

1．4 本论文研究内容

第二章 椭偏光谱测量与分析原理

2．1 椭偏光谱测量原理

2．1．1 材料的光学常数与Kramas-Kronig关系

2．1．2 菲涅尔公式和椭偏参数的推导

2．1．3 椭偏参数的推导

2．2 椭偏仪的构造及分析方法

2．2．1 RAP型椭圆偏振光谱仪

2．2．2 椭偏光谱分析的模型和方法

2．2．3 椭偏模型建立及参数分析

2．3 光学色散模型

2．3．1 常用的光学色散模型

2．3．2 有效介质理论

2．4 小结

第三章 硅纳米晶体的光学性质研究

3．1 硅纳米晶体的研究现状

3．2 样品制备方法

3．3 样品的表征及测量

3．4 宽光致发光谱的硅纳米晶体

3．5 硅纳米晶体能带宽度

3．6 发光机理探讨

3．6．1 量子限制发光中心模型解释

3．6．2 PL谱与禁带宽度之间的关系

3．7 小结

第四章 铁酸铋的光学性质研究

4．1 铁酸铋的性质和研究现状

4．2 铁酸铋的制备和测量

4．3 铁酸铋的椭偏分析和光学性质研究

4．3．1 SrTiO3衬底的椭偏拟合

4．3．2 SrRuO3电极层的椭偏拟合

4．3．3 BiFeO3薄膜的椭偏拟合

4．4 小结

第五章 工作总结及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

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