單晶氮化硅納米線的合成制備、可控摻雜與光致發(fā)光性能.pdf

1、氮化硅由于具有高比強、高比模、耐高溫、抗氧化、抗輻射和寬禁帶等本征特性，而受到廣泛關(guān)注。與普通氮化硅材料相比，氮化硅納米線特殊的幾何結(jié)構(gòu)使其具有了獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此氮化硅納米線是一種優(yōu)良的“結(jié)構(gòu)-功能一體化”寬禁帶半導(dǎo)體材料。但是，目前關(guān)于氮化硅納米線材料還存在產(chǎn)率低、純度低、難摻雜、發(fā)光強度低、發(fā)光性能難以調(diào)控等問題，制約了氮化硅納米線材料的實際應(yīng)用。因此，本論文以單晶氮化硅納米線的合成制備、可控摻雜以及光致發(fā)光性能的調(diào)控為研

2、究目標(biāo)，以價層電子結(jié)構(gòu)作為摻雜元素的選擇依據(jù)，采用低溫球磨及高溫氮化的制備新技術(shù)，系統(tǒng)研究摻雜元素（不同價層電子結(jié)構(gòu)的元素）、摻雜元素含量對單晶氮化硅納米線光致發(fā)光性能的影響，實現(xiàn)氮化硅納米線發(fā)光性能的調(diào)控與優(yōu)化，并采用第一性原理計算氮化硅納米線的能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)合光致發(fā)光性能闡明氮化硅納米線的發(fā)光機理。
　　以高純硅粉為原料，采用低溫球磨及氮化合成工藝，實現(xiàn)了高純、單晶氮化硅納米線的制備，為后續(xù)制備摻雜可控單晶氮化硅納米線奠定了良好

3、的基礎(chǔ)，并研究了單晶氮化硅納米線的光致發(fā)光性能。結(jié)果表明，當(dāng)采用液氮作球磨介質(zhì)時，在納米晶硅粉表面形成 Si-N鍵，可有效阻止納米晶硅粉氧化。氮化硅納米線尺度均勻，直徑約為25nm。單晶氮化硅納米線的禁帶寬度為5.0eV，發(fā)射光譜波長范圍為350~650nm，存在五個發(fā)光峰，位于586nm和542nm的發(fā)光峰是由硅懸掛鍵與Si-Si鍵/價帶之間的電子躍遷造成的，447nm的發(fā)光峰是由硅懸掛鍵與導(dǎo)帶之間的電子躍遷造成，405nm和393n

4、m的發(fā)光峰是由N4+與價帶之間的電子躍遷造成。
　　選取p區(qū)元素Al作為摻雜元素，以Al單質(zhì)或Al(NO3)3·9H2O作為摻雜原料，控制摻雜含量為5~10at.％。結(jié)果表明，摻雜原料對摻雜氮化硅納米線的光致發(fā)光性能影響不明顯，但摻雜含量對性能影響較大。Al元素摻雜氮化硅納米線光致發(fā)光譜的最強峰發(fā)生“紅移”，發(fā)光峰從未摻雜的586nm逐漸偏移到摻雜含量為10at.％的621nm。摻雜氮化硅納米線的禁帶寬度顯著降低，與理論計算結(jié)果吻

5、合。摻雜含量由5at.％增至10at.％時，納米線禁帶寬度由4.1eV降低至3.9eV，并且氮懸掛鍵由距價帶頂1.2eV處移至距價帶頂1.1eV處。禁帶寬度降低、氮懸掛鍵能級位置改變是影響摻雜氮化硅納米線光致發(fā)光性能的主要原因。
　　選取d區(qū)元素La、Y作為摻雜元素，選取單質(zhì)或硝酸鹽作為摻雜原料，控制摻雜含量為1~10at.％。結(jié)果表明，同種元素摻雜時，摻雜原料對氮化硅納米線的光致發(fā)光性能影響不明顯，但摻雜含量對性能影響較大。La

6、元素摻雜氮化硅納米線發(fā)“藍-紫”光，具有395nm和540nm兩個發(fā)光峰；當(dāng)摻雜含量從1at.％增加至10at.％時，395nm處的發(fā)光峰顯著增強，發(fā)光強度可達未摻雜納米線的10倍。Y元素摻雜氮化硅納米線具有與La元素摻雜氮化硅納米線相近的光致發(fā)光性能，發(fā)光峰位于415nm和530nm，當(dāng)摻雜含量為5at.％時，發(fā)光強度可達未摻雜時的15倍。摻雜氮化硅納米線的禁帶寬度顯著降低，與理論計算結(jié)果吻合；La摻雜氮化硅納米線的禁帶寬度為4.0e

7、V，禁帶中存在一個由La元素形成的距價帶頂2.3eV的雜質(zhì)能級。d區(qū)元素摻雜使得氮化硅納米線光致發(fā)光性能顯著增強，主要是因為摻雜元素在禁帶中形成新的雜質(zhì)能級，摻雜導(dǎo)致納米線禁帶寬度降低，N4+缺陷濃度增加。
　　選取f區(qū)元素 Ce、Tb作為摻雜元素，摻雜含量為5at.％。結(jié)果表明，Ce元素摻雜單晶氮化硅納米線發(fā)“藍-紫”光，發(fā)光譜存在兩個發(fā)光峰：392nm和407nm，發(fā)光峰是由Ce3+離子的4f05d1→4f15d0的電子躍遷引