纳米硅量子点多层结构的掺杂、近红外光发射与非线性光学性质

The study on the doping in nano-crystalline Si quantum dots (QDs) and the influences of doping on the properties of Si QDs is one of the important issues both for fundamental research interesting and for the device applications. The present project is to realize the fabrication of doped Si QDs multilayers with different doping type (p- and n-type) and doping concentrations by constrained crystallization of doped amorphous Si-based multilayers based on our previous work, in which the dot size can be well controlled. We will focus on the doping mechanism in Si QDs and the novel doping behaviors which are believed to be different from that in bulk counterpart. We will systematically study the optical absorption. Carrier transport as well as the recombination process in doped Si QDs, especially the origination of the near infrared light emission from doped Si QDs which is scarcely reported before. Meanwhile, we will also investigate the nonlinear optical property of intrinsic and doped Si QDs. We hope to give the deep insight into the doping mechanism in Si QDs and their effects on the luminescence characteristics and nonlinear optical properties via our research work and provide the solid base for developing the Si QDs-based optoelectronic devices.

对纳米硅量子点掺杂及掺杂对量子点性质的影响的研究无论是在基础研究方面还是在量子点的器件应用方面都具有重要的科学意义与研究价值。本项目是基于我们已有的研究基础，利用制备掺杂非晶硅基多层结构，结合限制性晶化原理与技术，在获得尺寸可控的纳米硅量子点的同时，通过改变制备时的掺杂条件以获得具有不同掺杂类型（p型和n型）和掺杂浓度的纳米硅量子点多层结构，实现对量子点的掺杂。从物理上深入理解在纳米硅量子点中的掺杂机理与掺杂效果，系统研究掺杂对纳米硅量子点的光吸收，载流子输运和载流子复合等物理过程的影响，特别是掺杂引起的纳米硅量子点近红外光发射现象的本质和起源。同时，研究纳米硅量子点中的非线性光学性质以及掺杂对非线性光学特性的作用。通过研究，希望能对纳米硅量子点的掺杂及掺杂对纳米硅量子点的发光和非线性光学性质的影响等关键问题有更深入的理解，为纳米硅量子点材料在光电器件上的应用打下提供更为坚实的基础。

本项目针对纳米硅量子点在未来纳光电器件中的应用,特别是在新型纳米硅太阳电池器件的应用这一研究热点问题，提出了通过在制备原始非晶硅材料时进行气相掺杂，在后退火形成硅基纳米结构材料的同时，将杂质掺杂进去，实现了对纳米硅材料的可控掺杂，获得了n型和p型掺杂的纳米硅材料。在此基础上，系统研究了在纳米硅量子点中的杂质的占据机制及杂质在纳米硅量子点中的掺杂形态与位置，从实验上确证了磷杂质可以占据纳米硅表面，钝化表面的悬挂键，同时也有部分杂质可以进入纳米硅内部，以替位式形式存在，可以提供有效的载流子，使得掺杂后的纳米硅的电导率有了很大的提高。同时，也发现尺寸对掺杂有着很大的影响，尺寸越小，杂质进入纳米硅内部越困难。深入探讨了掺杂对纳米硅量子点光电性质的影响，特别是掺杂引起的亚带隙光吸收和光发射的机理，在纳米硅量子点中实现了与当前光通讯波段相匹配的近红外光发射。同时，在获得不同掺杂的纳米硅量子点的基础上，研究了材料的非线性光学特性，从实验上研究了掺杂对材料线性和非线性光学性质的影响，提出了可以通过掺杂调控纳米硅界面态进而调控其非线性光学性质的技术途径。同时，将纳米硅多层膜和掺杂纳米硅用于构建太阳电池原理性器件，获得了最高12.8%的光电转换效率。在以上研究的基础上，共发表SCI学术论文20篇，申请和获得授权国家发明专利3项，圆满达到了预期研究目的和目标。