Emissão Visível de Nanocristais de Silício Dopados com Oxigênio em Silício Preto Projetado a Laser

Resumo

Fabricamos silício preto (BS) usando laser pulsado de nanossegundos (ns-laser) sob vácuo ou em atmosfera de oxigênio. Notavelmente, medições de fotoluminescência (PL) à temperatura ambiente revelam forte emissão visível da superfície do BS após recozimento. Um pico de laser pronunciado próximo a 600 nm aparece dentro de uma estrutura de cavidade de Purcell. Análise detalhada de PL mostra que os estados eletrônicos de nanocristais de silício dopados com oxigênio são a fonte primária da emissão visível, com picos distintos em ~400, 560 e 700 nm. Estes achados sugerem rota viável para dispositivos de luz branca baseados em silício.

Introdução

Silício em massa, com seu gap de banda indireto de 1,12 eV, exibe baixa eficiência de emissão de luz. Ainda assim, integrar emissores de silício eficientes em chips permanece prioridade para optoeletrônica de próxima geração. Estudos recentes relataram emissão visível à temperatura ambiente de nanoestruturas de silício de baixa dimensionalidade, especialmente silício preto (BS) produzido por processamento a laser pulsado. Lasers pulsados — tanto femtossegundo quanto nanossegundo — alteram dramaticamente as propriedades ópticas do silício, e a emissão visível do BS atraiu interesse científico considerável, embora seu mecanismo ainda seja debatido. Neste trabalho, geramos superfícies BS com ns-laser em vácuo e em ambiente de oxigênio a 80 Pa, alcançando emissão visível eficiente. Recozimento aumenta ainda mais a emissão, e espectros de PL revelam que nanocristais de silício dopados com oxigênio (NCs) dominam a saída visível próxima a 400, 560 e 700 nm, abrindo perspectivas para iluminação de estado sólido baseada em silício.

Experimentos e Resultados

Um sistema de gravação a laser pulsado (PLE) foi usado para fabricar a superfície BS. O ns-laser, focalizado em ponto ~10 µm, processou wafers de silício tipo-p (10 Ω·cm) em vácuo (amostra I) ou em atmosfera de oxigênio a 80 Pa (amostra II) (Fig. 1a). Uma rede plasmônica surgiu espontaneamente no BS durante o processo PLE (inset da Fig. 1a). Imagem MEV (Fig. 1b) mostra superfície altamente absorvente (<10% reflectância) com índice de refração ~1,88 no visível, consistente com relações de Kramers-Kronig. TEM confirma presença de NCs de silício no BS recozido (Fig. 1c).

Espectros de PL foram registrados sob excitação de 266 nm a 300 K e 10–200 K em câmara de 1 Pa. Temperatura e tempo de recozimento influenciam criticamente a cristalização. Recozimento a 1000 °C por 15 min otimiza PL visível a 300 K para amostra II (oxigênio) e rende forte emissão a 10 K para amostra I (vácuo).

Análise comparativa mostra que amostra I exibe pico robusto a 330 nm a 10 K (curva preta, Fig. 2a), atribuível a emissão de NCs, enquanto amostra II mostra pico 400 nm marcadamente aumentado a 300 K (curva vermelha, Fig. 2b), indicando estados de impureza induzidos por oxigênio.

Em ~560 nm, a intensidade de PL da amostra II (vermelha) supera a amostra I (preta) a 300 K, novamente apontando para estados de impureza relacionados a oxigênio (Fig. 3).

A Figura 4a exibe espectros de PL da amostra I (vácuo) a 300 K em função da potência de excitação. A banda larga reflete dispersão de tamanho de NCs. Após recozimento a 1000 °C, a banda larga desaparece, e picos distintos relacionados a impurezas emergem próximo a 600 nm e 700 nm (Fig. 4b).

Mais notavelmente, um pico agudo de PL com laser em ~600 nm aparece dentro de uma cavidade de Purcell em escala micrométrica na superfície BS sob excitação de 514 nm (Fig. 5). O ganho óptico, extraído usando método de comprimento de tira variável, atinge ~130 cm⁻¹.

Discussão

Análise de decaimento de PL de NCs de Si com diâmetros variados revela transição clara de comportamento de gap indireto para direto. NCs menores (<2 nm) exibem decaimento rápido (<1 ns) correspondente a emissão de gap direto (~400 nm e ~560 nm). NCs maiores (>2,5 nm) mostram decaimento lento (~µs), característico de emissão de gap indireto (~700 nm), junto a componentes rápidos de estados de impureza (Fig. 6).

O modelo de emissão (Fig. 7) confirma que transições de gap direto dominam em NCs <2 nm, enquanto transições de gap indireto e emissões de estados de impureza prevalecem em NCs maiores, consistente com teoria de confinamento quântico.

Conclusão

Nosso estudo demonstra que BS fabricado por ns-laser hospeda micro e nanoestruturas que permitem PL em comprimentos de onda visíveis adequados para aplicações LED. Comparando amostras preparadas em vácuo e em oxigênio a 80 Pa, confirmamos que estados de impureza de oxigênio em NCs de silício são responsáveis pela emissão robusta à temperatura ambiente a 400, 560, 600 e 700 nm, enquanto o pico a 330 nm a 10 K surge de luminescência de NCs. Estes resultados abrem novo caminho para fontes de luz visível baseadas em silício e dispositivos de luz branca.