SiC纳米晶薄膜的制备及发光性质

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本文对SiC材料的历史发展进行了回顾,并对SiC的基本特性、制备方法、表征方法、应用前景及面临的问题等进行了详细的综述。详细阐述了溅射原理及其成膜方法,并具体介绍了溅射法在SiC薄膜制备中的应用,其中包括溅射法在制备SiC非晶薄膜、SiC晶体薄膜、SiC纳米晶体薄膜中的应用。采用射频磁控溅射和后退火处理的方法在不同工艺条件下,在单晶Si衬底上成功制备了SiC纳米晶薄膜。并采用红外吸收谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜进行晶化的结构分析。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子谱仪(XPS)分析薄膜的结构、成份。采用荧光分光光度计研究了薄膜的光致发光特性。系统地研究了主要的工艺参数(退火温度、衬底负偏压、射频功率及工作气压)对SiC薄膜的影响。实验结果表明:(1)随着退火温度的降低,样品的晶粒尺寸变小,光致发光峰强度变强,峰位蓝移。纳米晶粒的减小导致了发光强度的增加及峰位的蓝移。(2)在沉积SiC薄膜过程中增大衬底负偏压可以降低SiC形成的活化能,有利于β-SiC的形成,同时可以抑制非晶碳和衬底表面氧化物的形成。衬底负偏压的存在导致SiC薄膜中纳米晶的数量增多、尺寸减小。随着衬底负偏压的增大,发光峰强度变强,峰位蓝移。(3)适当地增大射频功率有利于降低SiC形成的活化能,起到诱导晶态SiC生长的作用。随着功率的增大,发光峰强度变强,峰位不变。表明发光性能得到改善。(4)随着工作气压的减小,样品中的Si-C键的数量增多。发光峰强度更强,发光峰位红移。晶粒尺寸会随着工作气压的减小而增大,从而导致发光峰位的红移。过高的工作气压会造成沉积速率的降低,从而导致SiC薄膜结晶质量的降低,进而造成发光强度的降低。系统阐述了光衰减理论,简要介绍了时间分辨谱测量设备,并采用时间分辨谱研究了SiC纳米晶薄膜的发光机理。时间分辨谱表明SiC薄膜样品发光的衰减时间为纳秒量级,这比体单晶SiC在低温下的衰减时间至少快两个数量级,表现出直接跃迁复合的特征,这是由于SiC纳米晶粒的量子限制效应造成的。利用电化学腐蚀β-SiC膜制备了多孔β-SiC膜,采用FTIR,SEM,XPS分析了它的微观结构,发现样品表面呈多孔结构。并通过PL研究了其光致发光性质和发光机理,在室温下发现较强的蓝光发射,我们认为这是多孔SiC膜的发光峰,是由多孔化后所形成的新的SiC纳米晶粒的量子限制效应引起的。同时我们还发现,随着腐蚀时间的增加,蓝光发射的强度也在增加,并且蓝光峰发生蓝移。
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