本发明专利技术属于纳米光电材料技术领域，具体为一种电子束蒸发制备硅纳米晶的方法。传统的硅纳米晶的制备方法包括电化学腐蚀法、离子注入法、溅射法、化学气相沉积法，以及热蒸发法等。本发明专利技术采用电子束蒸发生长ＳｉＯ↓［ｘ］／ＳｉＯ↓［２］（１＜ｘ＜２）超晶格多层膜结构，其中ＳｉＯ↓［ｘ］层和ＳｉＯ↓［２］层将分别蒸发ＳｉＯ粉末源材料和ＳｉＯ↓［２］源材料而得到，然后在高温氮气环境中退火，从而获得ＳｉＯ↓［２］基体中尺寸大小可控、且均匀分布的硅纳米晶。薄膜中硅纳米晶的尺寸大小、尺寸分布和硅纳米晶的密度可以独立控制，而且硅纳米晶在薄膜样品中的位置以及样品的超晶格周期也可以任意设计。本发明专利技术所涉及与成熟的Ｓｉ基光电子集成工艺相兼容，为将来的器件研制打下基础。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米光电材料
，具体为一种电子束蒸发制备硅纳米晶的方法。
技术介绍
上世纪90年代初，多孔硅或者SiO2中通过硅离子注入制备的纳米硅晶粒在室温下的光致发光(photoluminescence，即PL)首次被报导。纳米尺度的硅晶体粒子显示出与体材料不同的独特光学和电学性质，以及他们在硅基光电子学器件方面的潜在应用前景，随即引起人们对研究硅纳米晶(Si nanocrystals，即nc-Si)及其特性的关注。另外，在硅基光电子学材料中掺稀土特别是掺Er的纳米硅薄膜的发光特性尤其引起研究者的关注，因为这种结构在1.54μm附近的较强光发射正好位于光纤的低损耗窗口，在光纤通信中具有广泛的应用前景。除对其基本物理原理研究外，对基于nc-Si的潜在应用研究，如电致发光(electroluminescence，即EL)的发光器件(Light emitting devices，即LED)研制、永久性存储器的研究，以及nc-Si对如掺杂Er3+的能量传输等等的研究都日益引起人们的广泛兴趣。然而，需要指出的是，无论是在研究nc-Si发光的物理机制，还是在基于nc-Si的器件研究方面，精确控制nc-Si的尺寸、及其尺寸分布是非常关键和重要的。目前，国内外nc-Si的合成方法，主要有利用氢氟酸电化学腐蚀硅单晶而制备多孔硅、在SiO2中硅离子注入、溅射法、化学气相沉积，以及热蒸发等等方法。用上述这些方法所制备的nc-Si，其尺寸分布都相对比较宽而且不易控制。在所研究的结构中，nc-Si较宽的尺寸分布使得nc-Si发光的物理机理解释变得复杂化，同时对器件研制也十分不利。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的制备硅纳米晶的方法，使制得的硅纳米晶在SiO2基体中尺寸大小和分布可控。本专利技术提出的硅纳米晶的制备方法，首先由电子束蒸发生长SiOx/SiO2(其中1＜x＜2)超晶格多层膜结构(例如1～100层，层数不限)，然后在1050℃～1200℃温度下、氮气环境中退火，制得SiO2基体中尺寸大小可控且均匀分布的硅纳米晶。利用椭偏光谱学、TEM、XRD、PL、红外光谱等检测手段对制备的硅纳米晶样品进行检测，表明硅纳米晶的密度和发光强度都大大超过其它方法制备的样品。本专利技术中硅纳米晶量子点的密度由SiOx中氧的非饱和度x来控制；硅纳米晶量子点的尺寸由SiOx膜层的厚度来控制，一般SiOx膜层的厚度控制在2～6nm。SiO2膜层的厚度也可以任意设计，例如2～6nm。SiOx膜层的厚度和SiO2膜层的厚度均由晶振测厚仪控制。本专利技术中，用电子束蒸发方法生长SiOx/SiO2超晶格多层膜结构时，SiOx膜层由电子束加热SiO粉末源材料而蒸镀形成，SiO2膜层由电子束加热SiO2源材料而蒸镀形成，两者都在高真空下完成。SiOx层和SiO2层交替生长，生长周期可任意设计。在SiOx膜层和SiO2膜层的蒸镀过程中，电子枪的输出功率为10-15kW，加速电压为-6～-10kV，电子束流为0～1.2A，电子束偏转角为270°，束斑面积为(1～1.5)cm2，电子束扫描为x-y双向扫描，扫描频率为25～400Hz。SiOx/SiO2超晶格多层膜结构蒸镀完成后，在1050℃～1200℃高温退火过程中，样品将完成由制备的无定形的SiOx态到最终的硅纳米晶(nc-Si)态的成分相变过程。这一复杂的nc-Si最终形成过程可用下式来简单表示 本专利技术可通过控制氧含量和高温退火条件实现非饱和氧化硅的相分离，减少产生陷阱的密度，单晶硅量子点面密度达1013个/厘米2量级。对于制备的样品，可以分别用XRD、罗瑟福背散射(RBS)、SEM和TEM等方法，对物相、组分、结构等进行分析表征，分析样品nc-Si的尺寸大小及尺寸分布；同时利用荧光光谱仪测量光致荧光(PL)谱。如下图所示为该专利技术方法制备的镶嵌于SiO2基体的nc-Si的透射电镜(TEM)照片示例，共制备了三层超晶格结构，图中可见约为3nm的nc-Si分布于SiO2基体之中。图2为该nc-Si的较强光致发光(PL)谱。同Si/SiO2超晶格相比，本专利技术制备的SiOx/SiO2超晶格的主要优势是硅纳米晶量子点被氧化物有效地分离，在镀膜过程当中，可通过控制通入氧气的量来控制每层硅纳米晶量子点密度。此外，硅量子点的总密度由单层硅量子点密度和层数来控制。层的位置将实现硅量子点的位置控制。因此通过综合利用硅纳米晶量子点的尺寸控制、密度控制，结合多层膜叠加技术，可以实现硅纳米晶量子点面密度突破1013个/厘米2量级。另外，通过调节SiOx层的厚度，来控制硅纳米晶量子点的尺寸。本专利技术采用电子束蒸发相对于热蒸发有着很多优点，可以避免因坩锅以及支撑部件引入的污染，源材料被装在水冷坩锅中，使用电子束对源材料局部进行加热。另外，在同一蒸发沉积装置中，分别安置SiO粉末源材料和SiO2源材料两个坩锅，分别沉积SiOx和SiO2层，可避免在薄膜镀制过程中杂质的引入。nc-Si的尺寸是由SiOx层的厚度决定，改变x可以控制nc-Si在SiOx层中的分布以及能被氧化层完全阻隔；另外一方面，调整SiO2层的厚度也可以调整nc-Si在整个样品薄膜中的密度。所以，获得的薄膜中nc-Si的尺寸大小、尺寸分布和nc-Si的密度都可以独立控制，而且nc-Si在薄膜样品中的位置以及样品的超晶格周期都可以任意设计。本专利技术方法与成熟的Si基光电子集成工艺相兼容，为器件研制打下基础，是本专利技术的另外一个特点。附图说明图1为镶嵌于SiO2基体的nc-Si的透射电镜(TEM)照片。图2为3nm的nc-Si的较强光致发光(PL)谱。图3分别为2、3和5nm大小的nc-Si的光致发光(PL)谱。图4为镶嵌于SiO2基体的尺寸为3nm的nc-Si的透射电镜(TEM)照片，其中SiO2层的厚度均为3nm，超晶格周期为30。具体实施例方式下图所示为该专利技术方法制备的镶嵌于SiO2基体的分别为2、3和5nm大小的nc-Si的光致发光(PL)谱，这三块样品都包含30层超晶格结构，超晶格蒸镀时真空室的真空度均为1×10-7mbar，SiOx层的厚度分别为2、3和5nm，SiO2层的厚度均为3nm；在SiOx膜层和SiO2膜层的蒸镀过程中，电子枪的输出功率为12kW，加速电压为-8kV，电子束流为0.8A，电子束偏转角为270°，束斑面积约1.2cm2，电子束扫描为x-y双向扫描，扫描频率为100Hz；超晶格蒸镀完成后，三块样品均在1100℃氮气中退火半小时得到尺寸分别为2、3和5nm大小的nc-Si。参考文献1.L.T.Canham，Appl.Phys.Lett.，57(1990)1046-1048. 2.V.Lehmann and U.Gosele，Appl.Phys.Lett.，58(1991)856-858。3.W.L.Wilson，P.F.Szajowski，and L.E.Brus，Science，262(1993)1242-1244. 4.Z.H.Lu，D.J.Lockwood and J.M.Baribeau，Nature，378(1995)258-260. 5.M.Zacharias，J.Heitmann，R.Scholz，U.Hahler，M本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电子束蒸发制备硅纳米晶的方法，其特征在于具体步骤如下：首先由电子束蒸发生长ＳｉＯｘ／ＳｉＯ↓［２］超晶格多层膜结构，１＜ｘ＜２；然后在氮气环境中１０５０℃～１２００℃温度下退火，即得到ＳｉＯ↓［２］基体中尺寸大小可控且均匀分布的 硅纳米晶。
【技术特征摘要】
1.一种电子束蒸发制备硅纳米晶的方法，其特征在于具体步骤如下首先由电子束蒸发生长SiOx/SiO2超晶格多层膜结构，1＜x＜2；然后在氮气环境中1050℃～1200℃温度下退火，即得到SiO2基体中尺寸大小可控且均匀分布的硅纳米晶。2.根据权利要求1所述的电子束蒸发制备硅纳米晶的方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：张荣君，陈良尧，郑玉祥，李晶，王松有，陆明，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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