稀土離子和硅摻雜氧化鋅薄膜的熒光性質(zhì)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，鉺(Er)摻雜的半導(dǎo)體材料引起了研究者的極大興趣。這是因?yàn)?，Er離子在1540nm處有很好的的熒光性質(zhì)，而這一波段正好是光纖通訊的最低損耗窗口之一。然而，1540nm的輻射躍遷對(duì)于Er離子來(lái)說(shuō)，屬于其電子殼層4f層組態(tài)內(nèi)的躍遷（簡(jiǎn)稱f-f躍遷），是不符合宇稱守恒定則的，即該躍遷在常規(guī)情況下是禁戒的。因此，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題作出了巨大的努力，并提出了相應(yīng)的解決方案。在眾多解決方法中，我們發(fā)現(xiàn)

2、，如果將Er離子置于環(huán)氧環(huán)境中，并且以寬禁帶半導(dǎo)體作為宿主的話，那么該禁戒就能夠被打破—f-f躍遷不僅能夠?qū)崿F(xiàn)，而且還可能得到優(yōu)良的熒光性質(zhì)。考慮到這兩個(gè)方面，我們最終選擇了氧化鋅(ZnO)作為宿主，而且在磁控濺射生長(zhǎng)ZnO∶Er薄膜的時(shí)候通入一定量的氧氣(O2)。ZnO是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度3.37eV（常溫），而且具有較大的激子結(jié)合能(60meV)，它在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器和太陽(yáng)能電池等方面應(yīng)用廣泛。
　

3、　在本論文中，我們主要運(yùn)用磁控濺射方法探索了ZnO∶Er薄膜的生長(zhǎng)條件，并研究了薄膜厚度、退火溫度、襯底類型以及硅(Si)離子注入等條件對(duì)薄膜中Er離子紅外熒光的影響，并在后期重點(diǎn)分析了襯底Si擴(kuò)散對(duì)其熒光的抑制作用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們運(yùn)用盧瑟福背散射的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量并計(jì)算了薄膜的厚度及組分，依托X射線衍射譜分析了薄膜的結(jié)晶性質(zhì)，至于薄膜的表面形貌，我們則是利用光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡等進(jìn)行觀察。當(dāng)然，所有的紅外光譜都是由532nm的綠光

4、激光器作為泵浦源，通過(guò)銦鎵砷探測(cè)器接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定處理而得到的。
　　通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)，一般情況下，以Si-SiO2作為襯底，薄膜的厚度越厚，退火到250℃左右，Er-1540nm的熒光強(qiáng)度會(huì)更強(qiáng)。當(dāng)退火溫度達(dá)到550℃時(shí)，Er-1540nm熒光會(huì)減弱，一方面是和能量傳輸相關(guān)的如缺陷能級(jí)等“中間態(tài)”少了，另一方面是因?yàn)?50℃的退火環(huán)境會(huì)誘發(fā)比較嚴(yán)重的襯底Si擴(kuò)散，這些擴(kuò)散進(jìn)薄膜的Si會(huì)“搶奪”Er的能量用于自身的發(fā)光、發(fā)熱等

5、，從而降低了Er的熒光效率。關(guān)于這一過(guò)程，我們首次建立了相應(yīng)的能量傳輸機(jī)制模型，并具體分析了Si和Er能量傳輸效率低的原因。此外，我們還向ZnO∶Er薄膜中注入了不同劑量的Si離子，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入劑量遠(yuǎn)大于薄膜中的Er含量時(shí)，Er-1540nm的熒光重歸禁戒。但是樣品經(jīng)過(guò)高溫退火（氮?dú)猸h(huán)境）后，隨著薄膜損傷的恢復(fù)，該禁戒又會(huì)被打破。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論，對(duì)于Si基光電子材料的制作、集成等方面具有一定的參考意義，也為稀土發(fā)光理論的大樓添磚加瓦。