sio和sion系统中硅量子点的结晶和发光性能研究

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1、摘要本文采用交替磁控溅射的方法制备了Si／Si02复合膜和Si02／Si／Si02三明治结构，并对Si／Si02复合膜采用了快速退火加炉内退火的二步退火处理、对Si02ISi／Si02三明治结构进行了炉内退火热处理工艺制备硅量子点。同时采用反应溅射的方法制备了不同元素比的SiOxN、，薄膜，并进行了炉内退火处理得到不同状态的硅结晶。通过微观结构(TEM)的观察，以及成分(EDS)，表面键(FTm)的分析，对在不同系统薄膜中硅量子点的生成规律进行了研究和讨论，并对薄膜进行了发光性能(PL)的测试。研究发现，不同溅射沉积速率对

2、于硅在Si02基体中的团聚和结晶的影响是不同的，随着硅溅射速率的增大，薄膜中的缺陷和形核点增多，快速退火后薄膜生成的量子点的密度增大。同时由于形核点与硅原子扩散的共同作用，也决定了硅纳米晶的尺寸分布随着溅射速率的增加呈现出由单分散到不均匀分布再到单分散的特点。在两步退火过程后，Si02基体中过饱和的硅原子会以两种形式析出，即附着于已存在的硅团簇上以及聚集为新的硅团簇。在Si02／Si／Si02三明治结构薄膜中生长出了硅的柱状晶，通过对晶粒形核生长过程进行的热力学理论计算发现，硅形核易于发生在Si／Si02界面处，并且柱状硅

3、晶的{11l}族晶面平行于Si／Si02界面，其择优生长是由能量最优化所决定的，而孪晶的存在是受硅层中的应力以及杂质元素的存在所影响的。对于SiO。N、，薄膜，在退火后出现了氮元素流失的现象，并且发现氮流失程度越大，薄膜中硅结晶的状况越好。通过成分测试以及二元相图的分析，氮流失促进硅结晶的原因是在氮流失过程中SiO。Ny基体的限制作用被减弱，促进了硅在薄膜中的扩散和团聚。结晶的SiO。Nv薄膜的发光来自于退火后生成的各种结构缺陷和纳米晶的量子限制效应。关键词：硅量子点退火溅射速率择优取向生长氮流失光致发光1lABSTRAC

4、TSi／Si02compositefilmsandSi02／Si／Si02sandwichs饥lcl[urewerefabricatedthroughalternate-sputtering．Two-stepannealing，rapidthermalannealingandfurnaceannealing，wasadoptedtoformSiquantumdotsinSi／Si02compositefilms，whilethefl／l'llaceannealingwasadoptedinSi02／Si／Si02sandw

5、ichstructure．SeveralSiOxNyfilmsweresynthesizedbyreactive-sputtering，andthesamplesweretreatedthroughfurnaceannealing．ThefilmswereobservedusingTEM，EDSandFTIRwereadoptedtoinvestigatethes咖ctureandbondtypesoffilms．Thegrowthmechanismsofnanocrystalsinthesefilmswerediscus

6、sed，andthephotoluminescence(PL)propertieswerealsomeasured．Afterthetwo-stepannealing，thesupersaturatedSiatomsinSi02segregatedintwoforms：somewereabsorbedbytheSicluters；someothersgatheredintonewSiclusters．ThedepositionratecallaffectthesegregationandcrystallizationofS

7、iintheSi02matrix．Withtheincreaseinsputteringrate，thenumberofstructuredefectsandinitialclusterswhichactedasthenucleationcentersincreased，andthenthedensityofSinanocrystalsincreasedaftertherapidthermalannealing．Atthesametime，thesizedistributionsofSinanocrystalsvaried

8、frommonodispersetoirregular‘tomonodisperseduetoinfluenceoftheSinucleuscentersandthediffusionofSiatoms．TheSicolumnarnanocrystalswerefoundintheSi02／Si／Si0