引言

硅在歷史上一直是電子產(chǎn)品的主要材料，而光電子領(lǐng)域的工作幾乎完全依賴于GaAs和磷化銦等ⅲ-ⅴ族化合物材料。這種材料系統(tǒng)二分法的主要原因是硅的間接帶隙結(jié)構(gòu)使其發(fā)光不切實(shí)際。然而，在多孔硅中觀察到的室溫可見光致發(fā)光1 (PL)已經(jīng)證明了用于光電應(yīng)用的實(shí)用、高效硅基發(fā)射器的潛力。

多孔硅層已經(jīng)由(100)取向的n型硅片制備。用掃描電鏡、紅外光譜和熒光光譜表征了多孔硅的形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)。研究了陽極氧化溶液中不同蝕刻時(shí)間對多孔硅結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。觀察到孔徑隨著蝕刻時(shí)間增加，并在20分鐘內(nèi)達(dá)到最大，然后減小。光致發(fā)光光譜峰值向高能側(cè)移動，這支持了多孔硅中的量子限制效應(yīng)。紅外光譜表明，在聚苯乙烯層表面觀察到硅氫峰，這些化學(xué)物質(zhì)也提高了聚苯乙烯的光致發(fā)光。

實(shí)驗(yàn)

多孔硅樣品由電阻率為50ω·cm的n型硅片(100)取向制備。通過保持HF∶乙醇的比例和電流密度分別恒定在1∶2和30 mA/cm2，并改變蝕刻時(shí)間來制備樣品，在陽極化過程中，用300瓦的鹵素?zé)粽丈渚ｊ枠O化后，在乙醇中漂洗多孔硅樣品。陽極氧化過程中使用的蝕刻時(shí)間對多孔硅的性能有很大影響。因此，需要改變蝕刻時(shí)間來研究其對PS特性的影響。我們使用光譜儀在200–800nm的發(fā)射范圍內(nèi)記錄光致發(fā)光光譜，將激發(fā)波長固定在450 nm。樣品的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜是在600–2400cm-1范圍內(nèi)記錄的，分辨率為4 cm-1。使用電子顯微鏡進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析。

結(jié)果和討論

圖1a、b、c和d描繪了使用10、20、30和40分鐘的不同蝕刻時(shí)間形成的n型多孔硅的SEM圖像。從圖1a中的SEM圖片可以看出，當(dāng)使用10分鐘的蝕刻時(shí)間時(shí)，形成了相當(dāng)中等尺寸的孔；孔被硅壁的厚柱狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包圍。當(dāng)蝕刻時(shí)間增加到20分鐘時(shí)，從SEM圖像可以看出(圖1b)具有最大直徑的孔形成在蝕刻硅層的整個(gè)表面區(qū)域上。孔徑分布相對均勻，柱狀壁較薄。該圖清楚地表明了多孔硅層的海綿狀結(jié)構(gòu)。具有這種特性的孔隙將表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)(QCE) 。

使用10、20、30和40分鐘的不同蝕刻時(shí)間形成的多孔硅顯示在圖2中。可以看出，對于所有使用的蝕刻時(shí)間，已經(jīng)獲得了可見區(qū)域中的室溫PL。發(fā)現(xiàn)對于10分鐘和20分鐘的蝕刻時(shí)間，光致發(fā)光強(qiáng)度最大值分別出現(xiàn)在624納米和619納米，表明光致發(fā)光最大值隨著蝕刻時(shí)間有藍(lán)移。由圖可以得出結(jié)論，隨著聚苯乙烯孔隙率的增加，光致發(fā)光峰位置發(fā)生藍(lán)移。隨著孔徑的增加，光致發(fā)光峰位置向藍(lán)色一側(cè)移動。室溫?zé)晒獍l(fā)射在可見光范圍內(nèi)的有效性和隨聚苯乙烯孔隙率的藍(lán)移是多孔硅中量子限制效應(yīng)(QCE)的有力證據(jù)。

圖3表示使用10、20、30和40分鐘的不同蝕刻時(shí)間制備的n型多孔硅樣品的傅里葉變換紅外光譜。對于蝕刻時(shí)間變化情況，也獲得了與HF濃度變化和電流密度變化情況相同的帶。進(jìn)一步從圖3可以看出，吸收峰強(qiáng)度隨著陽極氧化時(shí)間的增加而增加，并且在20分鐘的蝕刻時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大，然后在30分鐘的蝕刻時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度略微下降，然后在40分鐘的蝕刻時(shí)間內(nèi)急劇下降。這意味著，吸收峰強(qiáng)度遵循與光致發(fā)光峰強(qiáng)度相似的趨勢(圖2和3)，因此可以認(rèn)為表面鈍化在決定多孔層的輻射效率方面也起著主要作用，表面鈍化的作用在決定PS層的輻射效率方面也非常重要。

老化處理1、2、3和4周后的多孔硅樣品類型如圖4所示。制備的聚苯乙烯的光致發(fā)光強(qiáng)度也有所提高，從下面的FTIR圖5可以注意到，1105-1150 cm-1峰的強(qiáng)度隨著老化時(shí)間的增加而增加，表明多孔硅由于老化而被氧化，氧化程度隨著老化時(shí)間的增加而增加。這個(gè)在1105-1150 cm-1的峰，硅-氧-硅不對稱拉伸模式振動，取決于多孔硅的氧化程度。剩余的氧氣可能來自多孔硅孔隙中殘存的水。隨著老化時(shí)間的延長，Si-Hn帶的強(qiáng)度降低，這意味著PS表面的氫在老化過程中脫附。從圖5可以看出，硅的強(qiáng)度Hn帶隨著老化時(shí)間的增加而減少。因此，Si-Hn帶的吸收峰強(qiáng)度或多或少遵循與PL峰強(qiáng)度相同的趨勢(圖4和圖5)。因此，可以假設(shè)表面化學(xué)成分在決定多孔層的輻射效率方面也起著主要作用。

總結(jié)

掃描電鏡照片顯示，通過增加電解液中的蝕刻時(shí)間，孔的尺寸變寬，并在20分鐘時(shí)達(dá)到最大。光致發(fā)光光譜還表明，在20分鐘時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，峰值向高能側(cè)移動，這支持了多孔硅中的量子限制效應(yīng)。紅外光譜表明，在聚苯乙烯層表面觀察到硅氫峰，這些化學(xué)物質(zhì)也提高了聚苯乙烯的光致發(fā)光。

審核編輯：符乾江