Keadaan Elektronik Nanocrystal yang Didoping dengan Oksigen dan Emisi Terlihat pada Silikon Hitam Disiapkan oleh ns-Laser

Eksperimen dan Hasil

Perangkat pulsed laser etching (PLE) digunakan untuk membuat struktur permukaan BS, di mana diameter spot ns-laser sekitar 10 m yang difokuskan pada wafer silikon dari substrat tipe-P dengan vakum 10 cm (sampel I) atau dalam lingkungan oksigen dengan 80 Pa (sampel II), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Sangat menarik bahwa struktur kisi plasmonik terjadi pada permukaan BS dalam proses PLE seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 1a. Gambar SEM pada Gambar 1b menunjukkan struktur permukaan BS yang dibuat oleh ns-laser setelah anil, di mana tingkat reflektifnya lebih rendah dari 10% dan indeks biasnya sekitar 1,88 dalam kisaran yang terlihat pada SiO₂ permukaan. Hasil eksperimen ini sesuai dengan hubungan K-K [16, 17]. Nanocrystals silikon terjadi di BS disiapkan oleh ns-laser setelah anil, seperti yang ditunjukkan pada gambar TEM pada Gambar. 1c.

a Penggambaran struktur perangkat PLE yang digunakan untuk membuat struktur BS. b Gambar SEM dari struktur permukaan BS disiapkan oleh ns-laser setelah anil. c Gambar TEM nanosilikon dalam BS disiapkan oleh ns-laser setelah anil

Spektrum PL pada sampel diukur di bawah laser eksitasi 266 nm pada suhu kamar (300 K) dan suhu yang lebih rendah (10~200 K) dalam ruang sampel 1 Pa.

Perlu diperhatikan bahwa temperatur dan waktu annealing pada BS merupakan hal yang penting karena proses kristalisasi. Anil pada 1000 °C cocok untuk emisi yang terlihat dalam spektrum PL yang diukur dalam 10 K pada BS yang disiapkan dalam ruang hampa (sampel I), dan waktu anil yang optimal adalah sekitar 15 menit pada 1000 °C untuk emisi yang terlihat dalam spektrum PL diukur pada suhu kamar pada BS yang disiapkan dalam oksigen 80 Pa (sampel II).

Sangat menarik untuk membuat perbandingan antara sampel I yang disiapkan dalam ruang hampa dan sampel II yang disiapkan dalam oksigen dengan 80 Pa dalam analisis spektrum PL pada suhu yang berbeda.

Secara rinci ditunjukkan bahwa intensitas puncak pada panjang gelombang yang lebih pendek di dekat 330 nm yang diukur pada 10 K pada sampel yang saya siapkan dalam ruang hampa lebih kuat seperti yang ditunjukkan bersama dengan kurva hitam pada Gambar. 2a yang mungkin berasal dari emisi kristal nano, tetapi PL intensitas dalam panjang gelombang yang lebih panjang mendekati 400 nm yang diukur pada suhu kamar pada sampel II yang disiapkan dalam oksigen dengan 80 Pa jelas ditingkatkan seperti yang ditunjukkan bersama dengan kurva merah pada Gambar. 2b.

a Spektrum PL dari 300 hingga 500 nm diukur pada suhu yang lebih rendah pada sampel I (kurva hitam ) dan sampel II (kurva merah ). b Spektrum PL diukur pada suhu kamar pada sampel I (kurva hitam ) dan sampel II (kurva merah ), di mana keadaan pengotor pada nanocrystals dipamerkan di puncak PL yang ditingkatkan lebih luas pada sampel II

Lebih menarik untuk membuat perbandingan antara sampel II dan sampel I dalam analisis spektrum PL dekat 560 nm. Puncak PL yang diukur di dekat 560 nm pada suhu kamar ditingkatkan pada sampel BS II yang disiapkan dalam oksigen 80 Pa seperti yang ditunjukkan bersama dengan kurva merah pada Gambar. 3 terkait dengan keadaan pengotor pada kristal nano, sedangkan intensitas PL di dekat 560 nm adalah lebih lemah pada sampel BS yang saya siapkan dalam ruang hampa seperti yang ditunjukkan bersama dengan kurva hitam pada Gambar. 3.

Spektrum PL dekat 560 nm diukur pada suhu kamar membuat perbandingan antara sampel I (kurva hitam ) dan sampel II (kurva merah )

Gambar 4a menunjukkan spektrum PL dengan daya eksitasi yang diukur pada suhu kamar pada sampel I yang disiapkan dalam ruang hampa, di mana pita PL yang lebih luas berasal dari distribusi ukuran kristal nano di BS. Analisis spektrum PL menunjukkan bahwa emisi pita yang lebih luas yang berasal dari distribusi ukuran kristal nano menghilang dengan jelas, sedangkan emisi keadaan pengotor terjadi di dekat 600 dan 700 nm setelah anil pada 1000 °C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b.

a Spektrum PL dengan daya eksitasi diukur pada suhu kamar pada sampel yang saya siapkan dalam ruang hampa. b Spektrum PL dengan daya eksitasi diukur pada suhu kamar pada sampel I setelah anil

Lebih menarik lagi, puncak PL yang lebih tajam dengan penguat mendekati 600 nm terjadi pada struktur rongga Purcell dalam skala mikrometer pada BS di bawah laser eksitasi pada 514 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5a menunjukkan citra optik struktur rongga Purcell dalam skala mikrometer pada permukaan BS, dan Gbr. 5b menunjukkan puncak PL yang lebih tajam dengan penguat mendekati 600 nm pada BS setelah anil yang sesuai, di mana penguatan optik yang diukur dengan menggunakan berbagai metode panjang strip adalah sekitar 130 cm ⁻¹ .

a Citra optik struktur rongga Purcell dalam skala mikrometer pada permukaan BS. b Puncak PL yang lebih tajam dengan penguat mendekati 600 nm yang diukur pada suhu kamar pada struktur rongga Purcell dalam skala mikrometer pada permukaan BS di bawah laser eksitasi pada 514 nm

Diskusi

Analisis spektrum peluruhan PL pada Si NCs dengan berbagai diameter menunjukkan bahwa transformasi dari celah tidak langsung ke celah langsung muncul pada Si NCs yang lebih kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, b. Emisi celah langsung di dekat 400 dan 560 nm berkaitan dengan foton yang lebih cepat pada NC yang lebih kecil (diameter <2 nm), dan emisi celah tidak langsung berkaitan dengan foton yang lebih lambat (melibatkan proses bantuan fonon) pada NC yang lebih besar (diameter> 2,5 nm). Gambar 6c menunjukkan spektrum peluruhan PL di dekat 700 nm yang melibatkan foton yang lebih lambat (~μs) pada NC yang lebih besar dan foton yang lebih cepat (~ns) karena status pengotor.

a Spektrum peluruhan PL mendekati 400 nm dengan foton yang lebih cepat. b Spektrum peluruhan PL mendekati 560 nm dengan foton (ns) yang lebih cepat pada Si NC yang lebih kecil. c Spektrum peluruhan PL mendekati 700 nm dengan foton (ns) yang lebih cepat terkait dengan emisi keadaan pengotor dan foton (μs) yang lebih lambat pada Si NCs yang lebih besar

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7, dalam model emisi ini, emisi celah langsung berhubungan dengan foton yang lebih cepat pada NC yang lebih kecil (diameter <2 nm), dan emisi celah tidak langsung berhubungan dengan foton yang lebih lambat (melibatkan proses bantuan fonon) pada NC yang lebih besar (diameter>2,5 nm), yang sejalan dengan kurva status energi dalam efek kurungan kuantum.

Penggambaran model emisi dari analisis spektrum peluruhan PL pada Si NCs dengan berbagai diameter, di mana emisi celah langsung berhubungan dengan foton yang lebih cepat pada NC yang lebih kecil (diameter <2 nm), dan emisi celah tidak langsung berhubungan dengan foton yang lebih lambat (melibatkan proses bantuan fonon) pada NC yang lebih besar (diameter>2,5 nm)