Cu、Zn离子注入SiO2和Si引起的结构及光学性质变化研究

摘要

离子注入由于具有能量可控、剂量可调等诸多优势，是合成纳米复合材料的重要手段，它在光电子器件、光开关、生物传感器等多个领域具有重要的应用前景。本论文主要围绕Cu、Zn离子注入SiO2和Si材料引起的结构和光学性质变化展开了研究。主要内容及结果如下：
　　(1)采用能量为45 keV、剂量为1.0×1017 ions/cm2的Cu离子注入到SiO2基体中，在形成Cu纳米颗粒的基础上，进一步使用能量为50 keV的Zn离子对合成的Cu纳米颗粒进行辐照，随后在O2气氛下进行不同温度退火，研究了Zn离子辐照Cu纳米颗粒结构和光学性质的热演变规律。研究结果表明：①经过剂量为1.0×1016 ions/cm2的Zn离子辐照的样品在O2气氛中经过400℃退火0.5 h后，Cu纳米颗粒的SPR峰强度增加且峰位发生了显著地红移，后续Zn离子辐照抑制了Cu纳米颗粒的氧化。由于Cu+的激发，400℃退火后的样品都表现出了荧光发射特性，PL峰位于540 nm附近，后续Zn离子辐照抑制了Cu原子的离子化；②经过剂量为1.0×1016 ions/cm2的Zn离子辐照的样品在O2气氛中经过400℃退火1.0 h后，Cu纳米颗粒的SPR峰消失了，Cu纳米颗粒被氧化成了CuO，且样品中Cu+发射带的强度最大，后续Zn离子辐照产生的缺陷促进了O2的扩散。
　　(2)对使用能量为50 keV、剂量分别为5.0×1015和1.0×1016 ions/cm2的Zn离子辐照过的样品在N2气氛中进行300~600℃退火，退火时间为1.0 h。研究了Zn离子辐照Cu纳米颗粒光致发光性质的热演变规律。研究结果表明，400℃退火后，所有样品的光致发光谱上，在540 nm处都有一个明显的Cu+发射带。但是经过1.0×1016 ions/cm2的Zn离子辐照过的样品中Cu+发射带的强度最低，后续Zn离子辐照抑制了Cu原子的离子化。由于O2在SiO2中的扩散会驱使Cu原子的扩散,能够使更多的Cu原子转化为Cu+，因此经过Zn离子辐照过的样品在N2气氛中400℃退火Cu+发射带的强度低于O2气氛下退火。
　　(3)采用能量为45 keV、剂量为1.0×1017 ions/cm2的Zn离子注入Cz n型单晶Si(100)，研究了Zn离子注入单晶Si(100)及其在不同气氛下退火表面纳米结构的热演变行为。结果表明，N2气氛比O2气氛退火更有利于Zn纳米颗粒的生长。N2气氛退火后及600℃ O2气氛退火后，观测到的纳米颗粒呈穹顶状。而当样品在800℃ O2气氛退火后，由于样品中Zn2SiO4的形成，样品的表面形貌呈现绕组(winding)状。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 离子注入合成金属纳米颗粒研究现状

1.3金属纳米颗粒的表面等离子体共振的研究

1.4金属纳米颗粒的改性研究

1.5本论文的选题意义和主要研究内容

第二章 样品的制备与测试方法

2.1 基底材料的种类和参数

2.2 样品的离子注入条件选择

2.3 样品的退火处理过程

2.4 测试方法及其原理

第三章 Zn离子辐照Cu纳米颗粒结构和光学性质在O2气氛下退火热演变规律研究

3.1 O2气氛下退火0.5 h Cu纳米颗粒结构和光学性质热演变规律研究

3.2 O2气氛下退火1.0 h Cu纳米颗粒结构和光学性质热演变规律研究

3.3 本章小结

第四章 Zn离子辐照Cu纳米颗粒光致发光性质在N2气氛下退火热演变规律研究

4.1 N2气氛下退火1.0 h Cu纳米颗粒光致发光性质热演变规律研究

4.2 相同时间400 °C不同气氛下退火的PL比较

4.3 本章小结

第五章 Zn离子注入Si(100)表面纳米结构及其热演变规律

5.1 Zn离子注入单晶Si(100)表面纳米结构的热演变行为

5.2 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究的主要结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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