硅量子點(diǎn)的硼和磷摻雜.pdf

1、硅量子點(diǎn)是當(dāng)前納米半導(dǎo)體材料研究中的熱點(diǎn)。它具有優(yōu)異的光電性能、無毒性和與現(xiàn)有體硅技術(shù)較好的兼容性，能夠廣泛應(yīng)用于光電子學(xué)、太陽能光伏、電子器件、能量存儲(chǔ)和生物成像等領(lǐng)域。與體硅材料類似，硅量子點(diǎn)也需要通過摻雜等手段來提高其應(yīng)用性能。目前，在理論和實(shí)驗(yàn)上研究人員對(duì)各種摻雜元素在硅量子點(diǎn)中的摻雜行為展開研究。在實(shí)驗(yàn)上，人們可以對(duì)固相法合成的鑲嵌在二氧化硅介質(zhì)中的硅量子點(diǎn)和氣相法合成的氫鈍化的硅量子點(diǎn)進(jìn)行摻雜，然而與前者對(duì)應(yīng)的相關(guān)理論研究尚

2、處于起步階段，許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚無對(duì)應(yīng)的機(jī)理解釋。此外，雖然許多研究小組對(duì)本征硅量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)已進(jìn)行了深入的探索，而對(duì)摻雜的硅量子點(diǎn)，尺寸效應(yīng)對(duì)其性能的影響尚無系統(tǒng)的研究。
　　本論文基于密度泛函理論和冷等離子體法對(duì)硼、磷原子在硅量子點(diǎn)中的摻雜行為進(jìn)行研究。研究了硼、磷及硼-磷共摻雜對(duì)鑲嵌在二氧化硅中的硅量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響；結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)磷摻雜的硅量子點(diǎn)性能的影響；尺寸效應(yīng)對(duì)超級(jí)硼摻雜的硅量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。取得

3、如下創(chuàng)新結(jié)果：
　?。?）構(gòu)建了創(chuàng)新型模型研究鑲嵌在二氧化硅中的硅量子點(diǎn)的摻雜，計(jì)算了磷摻雜對(duì)其電學(xué)和光學(xué)性能的影響。對(duì)于具有完整氧化界面的硅量子點(diǎn)，磷原子容易進(jìn)入硅/二氧化硅次界面處，在硅量子點(diǎn)中引入缺陷發(fā)光中心，其發(fā)光峰較帶邊發(fā)光發(fā)生紅移；對(duì)于界面存在懸掛鍵的硅量子點(diǎn)，磷原子首先鈍化界面處的懸掛鍵，使缺陷發(fā)光消失，同時(shí)增強(qiáng)帶邊發(fā)光。
　　（2）研究了硼原子在鑲嵌在二氧化硅中的硅量子點(diǎn)中的分布及其電學(xué)性能。對(duì)于具有完整氧化

4、界面的硅量子點(diǎn)，硼原子容易進(jìn)入次界面或表面氧化層中，但基本不影響硅量子點(diǎn)的激發(fā)能；對(duì)于界面存在懸掛鍵的硅量子點(diǎn)，硼原子容易進(jìn)入硅/二氧化硅層中，同時(shí)產(chǎn)生較大晶格畸變，容易導(dǎo)致硅量子點(diǎn)的發(fā)光淬滅。
　?。?）考察了鑲嵌在二氧化硅中的硅量子點(diǎn)的硼-磷共摻雜。硼、磷原子容易以硼-磷對(duì)的形式存在于硅量子點(diǎn)中。而當(dāng)硼、磷原子分開時(shí)會(huì)各自在禁帶中引入靠近價(jià)帶和導(dǎo)帶的深能級(jí)，其能級(jí)深度和兩者的相對(duì)位置有關(guān)。不同深度的雜質(zhì)能級(jí)能夠?qū)е虏煌ㄩL的光

5、致發(fā)光峰。
　?。?）采用密度泛函理論研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)摻磷的硅量子點(diǎn)的性能的影響。磷摻雜會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)優(yōu)化后硅量子點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其能級(jí)結(jié)構(gòu)、電子結(jié)合能和光學(xué)吸收譜。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后硅量子點(diǎn)性能的差異隨摻磷濃度的增大而更為顯著。
　?。?）首次研究了尺寸效應(yīng)對(duì)超級(jí)摻雜硅量子點(diǎn)的局域表面等離子激元（LSPR）性能的影響。硅量子點(diǎn)的 LSPR能量隨著摻硼濃度的增大而藍(lán)移；在一定的摻硼濃度下，硅量子點(diǎn)的LSPR能量隨量子點(diǎn)尺寸的