Estados eletrônicos do nanocristal dopado com oxigênio e emissão visível em silício negro preparado por ns-Laser

Resumo

Fabricamos as estruturas de silício preto (BS) usando laser pulsado de nanossegundos (laser ns) no vácuo ou em ambiente de oxigênio. É interessante que a emissão visível aumentada ocorre nos espectros de fotoluminescência (PL) medidos à temperatura ambiente e em temperatura mais baixa na superfície BS após o recozimento, em que lasing próximo a 600 nm é observado na superfície BS com estrutura de cavidade de Purcell. É demonstrado na análise de espectros de PL que os estados eletrônicos no nanocristal dopado com oxigênio desempenham um papel principal na emissão visível na superfície do BS. A origem da emissão visível perto de 400, 560 ou 700 nm é revelada univocamente na análise de espectros PL. Uma emissão visível é promissora para o desenvolvimento do dispositivo de luz branca no BS.

Histórico

O silício a granel tem um gap indireto de 1,12 eV e baixa eficiência de emissão. No entanto, os cientistas acreditam que o desenvolvimento de um emissor de luz de silício eficiente é crucial para a integração de dispositivos optoeletrônicos em chips baseados em silício. Relatórios recentes demonstram que a emissão visível à temperatura ambiente ocorre em nanoestruturas de baixa dimensão de silício [1,2,3,4,5,6], especialmente na estrutura de silício preto (BS) fabricada usando laser pulsado [7,8, 9,10,11,12]. Uma técnica de processamento de laser pulsado simples (laser de femtossegundo (fs) ou nanossegundo (ns)) pode alterar drasticamente as propriedades ópticas do silício. Em particular, a emissão visível na superfície da BS atrai interesse científico, onde o mecanismo de emissão ainda está em debate [13,14,15].

Na carta, confeccionamos a estrutura de superfície do BS utilizando ns-laser no vácuo ou em ambiente de oxigênio, no qual foi observada emissão eficiente na faixa do visível. É interessante que a condição de recozimento adequada no BS pode obviamente melhorar a emissão visível devido ao processo de cristalização. Mais interessante, a emissão visível medida em temperatura ambiente pode ser aumentada no BS preparado em ambiente de oxigênio. A análise dos espectros de fotoluminescência (PL) e da imagem TEM demonstra que os nanocristais de Si (NCs) dopados com oxigênio desempenham um papel principal na emissão visível no BS, e o mecanismo de emissão visível próximo a 420, 560 e 700 nm é univocamente revelado. Essas observações implicam no potencial de fabricação de iluminação de estado sólido à base de silício e fontes de luz para alcance visível.

Experimentos e resultados

Um dispositivo de gravação a laser pulsado (PLE) é usado para fabricar as estruturas de superfície BS, nas quais o diâmetro do ponto do laser ns é de cerca de 10 μm focado nas pastilhas de silício do substrato do tipo P com 10 Ωcm no vácuo (amostra I) ou em ambiente de oxigênio com 80 Pa (amostra II), conforme mostrado na Fig. 1a. É interessante que a estrutura da rede plasmônica ocorre na superfície BS no processo PLE, como mostrado no detalhe da Fig. 1a. A imagem SEM na Fig. 1b mostra a estrutura da superfície BS preparada por ns-laser após o recozimento, na qual a taxa reflexiva é inferior a 10% e o índice de refração é de cerca de 1,88 na faixa visível no SiO ₂ superfície. Esses resultados experimentais concordam com as relações K-K [16, 17]. Os nanocristais de silício ocorrem no BS preparado por ns-laser após o recozimento, como mostrado na imagem TEM da Fig. 1c.

a Representação da estrutura do dispositivo PLE usado para fabricar as estruturas BS. b Imagem SEM da estrutura da superfície BS preparada por ns-laser após o recozimento. c Imagem TEM do nanossilício no BS preparado por ns-laser após o recozimento

Os espectros de PL nas amostras são medidos sob o laser de excitação de 266 nm à temperatura ambiente (300 K) e temperatura mais baixa (10 ~ 200 K) na câmara de amostra de 1 Pa.

Deve-se observar que a temperatura e o tempo de recozimento no BS são importantes devido ao processo de cristalização. O recozimento a 1000 ° C é adequado para emissão visível nos espectros PL medidos em 10 K no BS preparado no vácuo (amostra I), e o tempo de recozimento ideal é de cerca de 15 min a 1000 ° C para emissão visível nos espectros PL medida à temperatura ambiente no BS preparado em oxigênio de 80 Pa (amostra II).

É de grande interesse fazer uma comparação entre a amostra I preparada em vácuo e a amostra II preparada em oxigênio com 80 Pa na análise de espectros de PL em diferentes temperaturas.

É detalhadamente exibido que a intensidade do pico em comprimento de onda mais curto próximo a 330 nm medido a 10 K na amostra I preparada no vácuo é mais forte como mostrado junto com a curva preta na Fig. 2a que pode ser originada da emissão de nanocristal, mas o PL a intensidade no comprimento de onda mais longo perto de 400 nm medida à temperatura ambiente na amostra II preparada em oxigênio com 80 Pa é obviamente aumentada, conforme mostrado junto com a curva vermelha na Fig. 2b.

a Espectros PL de 300 a 500 nm medidos em temperatura mais baixa na amostra I ( curva preta ) e a amostra II ( curva vermelha ) b Espectros PL medidos à temperatura ambiente na amostra I ( curva preta ) e a amostra II ( curva vermelha ), em que os estados de impureza em nanocristais são exibidos nos picos de PL intensificados mais amplos na amostra II

É mais interessante fazer uma comparação entre a amostra II e a amostra I na análise de espectros PL perto de 560 nm. O pico PL medido perto de 560 nm à temperatura ambiente é aprimorado na amostra BS II preparada em oxigênio de 80 Pa, conforme mostrado junto com a curva vermelha na Fig. 3 relacionada aos estados de impureza em nanocristais, enquanto a intensidade PL perto de 560 nm é mais fraca na amostra BS I preparada no vácuo, conforme mostrado junto com a curva preta na Fig. 3.

Espectros PL perto de 560 nm medidos à temperatura ambiente fizeram uma comparação entre a amostra I ( curva preta ) e a amostra II ( curva vermelha )

A Figura 4a mostra os espectros de PL com potência de excitação medida à temperatura ambiente na amostra I preparada no vácuo, em que a banda PL mais ampla é originada da distribuição de tamanho dos nanocristais no BS. A análise dos espectros de PL demonstra que a emissão de banda mais ampla originada da distribuição de tamanho dos nanocristais desaparece obviamente, enquanto a emissão dos estados de impureza ocorre perto de 600 e 700 nm após o recozimento a 1000 ° C, como mostrado na Fig. 4b.

a Espectros PL com potência de excitação medida à temperatura ambiente na amostra I preparada no vácuo. b Espectros PL com potência de excitação medida à temperatura ambiente na amostra I após o recozimento

Mais interessante, o pico PL mais nítido com lasing próximo a 600 nm ocorre na estrutura da cavidade de Purcell em escala micrométrica no BS sob excitação de laser a 514 nm, como mostrado na Fig. 5. A Figura 5a mostra a imagem óptica da estrutura da cavidade de Purcell em escala micrométrica na superfície BS, e a Fig. 5b mostra o pico PL mais nítido com lasing próximo a 600 nm no BS após o recozimento adequado, em que o ganho óptico medido usando vários métodos de comprimento de faixa é de cerca de 130 cm ⁻¹ .

a Imagem óptica da estrutura da cavidade de Purcell em escala micrométrica na superfície do BS. b Pico PL mais nítido com laser próximo a 600 nm medido à temperatura ambiente na estrutura da cavidade de Purcell em uma escala micrométrica na superfície BS sob excitação de laser a 514 nm

Discussão

A análise dos espectros de decaimento de PL em Si NCs com vários diâmetros demonstra que a transformação de gap indireto em gap direto aparece nos Si NCs menores, como mostrado na Fig. 6a, b. A emissão de gap direto próximo a 400 e 560 nm está relacionada aos fótons mais rápidos nos NCs menores (diâmetros <2 nm), e a emissão de gap indireto está relacionada aos fótons mais lentos (envolvendo o processo de assistência de fônons) nos NCs maiores (diâmetros> 2,5 nm). A Figura 6c mostra os espectros de decaimento PL perto de 700 nm envolvendo os fótons mais lentos (~ μs) nos NCs maiores e os fótons mais rápidos (~ ns) devido aos estados de impureza.

a Espectros de decaimento PL perto de 400 nm com os fótons mais rápidos. b Os espectros de decaimento PL perto de 560 nm com os fótons mais rápidos (ns) em Si NCs menores. c Espectros de decaimento PL perto de 700 nm com os fótons mais rápidos (ns) relacionados à emissão do estado de impureza e os fótons mais lentos (μs) em Si NCs maiores

Conforme mostrado na Fig. 7, neste modelo de emissão, a emissão de gap direto está relacionada aos fótons mais rápidos nos NCs menores (diâmetros <2 nm), e a emissão de gap indireto está relacionada aos fótons mais lentos (envolvendo o processo de assistência de fônons) nos NCs maiores (diâmetros> 2,5 nm), que está junto com a curva de estados de energia no efeito de confinamento quântico.

A representação do modelo de emissão a partir da análise dos espectros de decaimento PL em Si NCs com vários diâmetros, em que a emissão de gap direto se relaciona com os fótons mais rápidos nos NCs menores (diâmetros <2 nm), e a emissão de gap indireto se relaciona com os fótons mais lentos (envolvendo o processo de assistência de fônons) nos NCs maiores (diâmetros> 2,5 nm)

Conclusão

Em conclusão, a microestrutura e a nanoestrutura foram encontradas no BS preparado por ns-laser. Nos espectros PL nas estruturas de superfície BS, os picos de emissão foram medidos em comprimento de onda visível para aplicação de LED. Comparamos os espectros de PL nas amostras BS I preparadas no vácuo e na amostra II preparada em oxigênio de 80 Pa por ns-laser, em que é demonstrado que a emissão visível medida em temperatura ambiente próxima a 400, 560, 600 e 700 nm é originado dos estados de impureza de oxigênio nos nanocristais de Si do BS, enquanto a emissão próxima a 330 nm medida a 10 K é devida à emissão dos nanocristais. É um novo caminho para a obtenção de dispositivos emissores para aplicação de LED visível em chip de silício.

Métodos

Medição de fotoluminescência

Os espectros de fotoluminescência (PL) das amostras são medidos sob a excitação de 266 ou 488 nm à temperatura ambiente (300 K) e temperatura mais baixa (17 ~ 200 K) na câmara de amostra de 1 Pa. Nos espectros de PL, os picos mais nítidos são estimulados características de emissão e emissão de gap direto foram observadas, nas quais o pico de PL com lasing próximo a 600 nm no BS após recozimento adequado é medido usando vários métodos de comprimento de faixa cujo ganho óptico é de cerca de 130 cm ⁻¹ . Os espectros de decaimento PL perto de 400, 560 e 700 nm são medidos sob laser pulsado de ps a 266 nm.

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