β-FeSi2纳米颗粒的制备及其量子限制的发光特性研究

β-FeSi2是一种直接和间接带隙相差仅20毫电子伏特的间接带隙半导体材料，发光波长在1.55微米，发光效率较低，对它发光特性的研究一直较少。多孔硅室温可见光的发现引起了人们对间接带隙半导体材料发光特性研究的兴趣，为了获得可调谐的红外光发射，人们把目光集中到寻求结构和发光特性稳定的β-FeSi2纳米颗粒及其复合纳米结构材料上，探索有量子限制效应发光特性的β-FeSi2纳米结构已成为半导体材料物理研究领域中的一个热点。本项目采用Fe粉在多孔硅上的高温沉积、高能Fe 离子注入硅片后电化学腐蚀及超声振荡以及在溶液中β-FeSi2多晶靶材的激光溅射沉积等办法，获得有良好表面钝化的β-FeSi2颗粒悬溶液和固体薄膜，在全面的微结构和谱学表征的基础上，系统地探索产生量子限制的、可调谐的红外光发射特性的可能性，从理论上揭示出产生光发射现象的本质，并寻求在光电子器件上的应用。

本课题完成了原计划对纳米结构β-FeSi2薄膜的制备及其电子态和发光特性的研究，获得了如下主要成果：1）研究了高压下(110)β-FeSi2/(001)Si复合结构的电子态和光学吸收特征,发现带隙随压力的先增加后减少现象跟硅(001)衬底表面密切相关，试验结果表明压力的存在可有效地调控β-FeSi2的光学带隙，从而提高发光效率。2）以多孔硅为衬底，高纯铁粉为铁源，制得了高质量的半导体材料β-FeSi2。变温荧光光谱显示位于1.54μm的荧光发射峰是由β-FeSi2的自由激子复合引起的，自由激子的激活能为0.25eV。该方法提供了一条合成单相β-FeSi2的简单途径。3）首次用热压方法合成了β-FeSi2体材料，实验结果展示了可通过改变铁硅比例、延长高压下的退火时间可获得较纯的β-FeSi2样品。4） 研究了复合β-FeSi2/Si和纯β-FeSi2颗粒薄膜的1.54m的发光特性，发现其发光强度比在纯β-FeSi2颗粒薄膜中更强。当在1050 nm激光激发下，复合薄膜的发光展现了进一步的增强，而纯薄膜强度减少。时间分辨的发光谱研究表明，光激发载流子在复合薄膜中的寿命比纯薄膜中更长，因此从Si颗粒到β-FeSi2的共振能量转移导致了1.54 m发光强度的增强，这为设计β-FeSi2材料的高效发光提供了新的思路。本项目共发表学术论文11 篇，其中Nano Lett.上1 篇、Appl. Phys. Lett.上3篇、Chem Commu. 1篇、Opt. Lett.上2篇，申请国家发明专利三项，授权国家发明专利一项。