自组织生长硅酸铒包覆硅纳米晶核壳结构及其发光研究

Developing an efficient light source has been the key part of monolithic integration of silicon photonics. Of the many different approaches, using Er as an optical dopant has attracted particular attention because Er can be excited via carriers to obtain a light emitter at the wavelength of 1540nm that is both technologically important and transparent to Si, enabling integration with other Si-based photonic and electronic applications. However, theoretical and experimental evidences suggest that there was fundamentally limited due to the low solubility and quite low luminescence efficiency of Er in Si. Overcoming these limitations requires nanometer-scale design of the material composition and structure. Therefore, in this project, we develop an bottom-up self-assembled growth of a dense array of nanoparticle heterostructures that consist of a crystalline Si core surrounded by nanometer-thin shells of crystalline Erbium Silicate, forming an ideal Er-Si nanostructure that provides an unprecedented combination of high Er concentration, narrow emission peak, high luminescence efficiency, and the possibility of optical gain by using this core-shell structure. And the self-organized Erbium Silicate/nanocrystal Si core-shell nanostructure will show great potential as the material basis for developing an Si-based Infrared light source.

硅基高效光源业已成为硅光子单片集成最为关键需求。而在众多硅基光源的可能材料体系中，利用铒离子掺杂材料则由于其1540nm附近近红外发光，且易于与光通讯体系结合被广泛关注和研究。但铒离子的低固溶度、激发截面小、发光效率低、可为之提供能量传递的敏化剂随机分布等弱点限制了其成为硅基高效光源材料的可能。因而，如何从材料体系设计上克服以上的限制则是铒离子掺杂材料体系目前最为所需。本项目希望利用硅纳米晶和铒硅化合物结晶温度的不同，通过分步热处理，自组织生长形成硅酸铒包覆硅纳米晶的核壳结构。该核壳结构不仅通过壳层硅酸铒晶体获得更高浓度的铒含量，还使得提供能量传递的铒离子敏化剂（纳米晶硅）不再是随机分布，而是敏化剂与铒离子在空间位置上的相对应分布以及对应能量传递能级的匹配；从而有望获得高效硅基近红外发光材料。此外，硅酸铒包覆硅纳米晶核壳结构还有可能利用核心高折射率纳米晶硅的光场限制，实现近红外发光光增益。

硅基高效光源业已成为硅光子单片集成最为关键需求。而在众多硅基光源的可能材料体系中，利用铒离子掺杂材料则由于其1540nm附近近红外发光，且易于与光通讯体系结合被广泛关注和研究。但铒离子的低固溶度、激发截面小、发光效率低、可为之提供能量传递的敏化剂随机分布等弱点限制了其成为硅基高效光源材料的可能。因而，如何从材料体系设计上克服以上的限制则是铒离子掺杂材料体系目前最为所需。本项目主要研究如何通过自组织生长的方式制备硅酸铒包覆硅纳米晶核壳结构，实现通过壳层的硅酸铒晶体获得更高浓度的铒含量，还使得提供能量传递的铒离子敏化剂与铒离子在空间位置上和对应的能量传递能级上实现相对应分布及匹配，从而获得高效硅基近红外发光材料。项目研究按照预定计划进行。首先研究了热处理温度，热处理气氛，以及薄膜成分对于硅酸铒相变过程的影响，从而得到获得硅酸铒最优的发光相的制备条件。进而，在优化铒硅化合物发光的基础上，我们提出了一种降低铒离子之间相互作用减少浓度淬灭的策略来获取长发光寿命的铒化合物，成功制备出了目前报道最长发光寿命的硅酸铒材料，其铒离子发光寿命高达844 μs，浓度寿命积(LDP)也达到1.3x10^19 s·cm-3。在此基础上，我们研究了敏化剂浓度、分布等对铒离子发光的影响，发现只有在合适的热处理温度下，硅纳米晶的尺寸（也对应于其发光峰位和强度）、与铒离子能级对应度（及光谱重叠程度）、硅纳米晶与铒离子间距离（及硅纳米晶与硅酸铒晶粒间距离）都在合适的情况下，其能量传递效率才最好，对应的铒离子发光也最强。最后，我们进一步发展之前的设想，将敏化剂引入硅酸铒晶格当中，这样既可以在空间上对应铒离子进行能量传递，又不影响铒离子的浓度。通过在硅酸铒晶粒中引入间隙位的Li离子来进一步增强硅酸铒的发光及寿命，再结合Y离子敏化提升其发光强度可增强50倍以上。项目执行期间，共发表项目标注论文14篇，会议论文3篇，申请专利5项（授权4项），培养研究生5名。