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半导体纳米颗粒镶嵌复合薄膜,由于其二维基体中的半导体纳米颗粒的强量子限域效应,使其与相应块体材料相比具有许多特异的光学性能,如光致发光、三阶光学非线性响应增强等。故其在未来的新型光电子器件和光学功能器件等方面有广阔的应用前景。
本论文采用射频磁控共溅射技术制备了镶嵌在SiO<,2>介质中的纳米InP颗粒薄膜样品,并对其光学性能作了研究分析,还进行了薄膜厚度均匀性及成分分布方面的模拟计算。
InP-SiO<,2>纳米半导体颗粒薄膜的制备关键在于保持In:P=1:1化学配比,本文采用的工艺为,在复合靶面上放置高纯红磷颗粒,并在溅射中,在已沉积薄膜的表面再沉积一层SiO<,2>薄膜,后续热处理采用高真空热处理,避免了磷对真空系统的损坏。采用这种工艺,虽然在高真空热处理过程中存在磷的散失,但SiO<,2>层对散失的阻缓作用及薄膜中过量磷的补给可以保持In和P化学配比,可制得理想的薄膜样品。
本实验采用射频磁控共溅射技术制备薄膜,一且溅射靶为复合靶,由于复合靶的选择溅射、靶面磁场对二次电子的约束等因素,使得薄膜厚度和成分分布具有一定规律。本文根据靶面位置与对应刻蚀坑深度的关系曲线及一些溅射结构参数建立函数公式,采用Mathematic数学软件绘出其对应的厚度和成分分布图形,并对其进行理论分析,得出了薄膜厚度和成分分布随靶基距变化的规律,从而指导实验的进行。
利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对薄膜样品的表面形貌进行了分析研究,得出溅射实验的最佳功率范围,在100W左右。还采用X射线衍射仪(XRD)和X射线能谱仪(EDS)两种测试手段相结合的方式对薄膜的晶体结构、晶体成分进行了表征分析,测试分析结果表明,有SiO<,2>镀层保护的样品,经500℃/2h热处理后,有显著的InP特征峰, In和P的化学配比十分接近1:1,说明薄膜中形成了InP颗粒,结晶完好。分析研究了InP-SiO<,2>复合薄膜样品的Raman散射特性,发现薄膜的横光学声子模(TO)Raman散射峰十分显著,与其块体材料的相比,发生了红移和宽化,红移量△ω约6~2cm<-1>,这一现象主要归因于声子限域效应和张力效应。
对复合薄膜进行了室温光致发光测试,观察到强的PL峰,并分析讨论了纳米InP颗粒的光致发光机制,认为发光是由InP颗粒的强量子限域效应及界面和缺陷等一些因素引起。