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英科学家发现硅纳米微晶的发光机制

2008-03-24 10:13
龙凰
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    自从多孔硅在1990年被发现能发光后,科学家对于硅纳米结构的光激发光(photoluminescence)起源一直未有定论。最近英国兰开斯特(Lancaster)大学的Manus Hayne与欧洲的研究人员透过实验推断,发光主要源于纳米微晶内的缺陷,驳斥了早期将发光归因于量子局限效应(quantum confinement effect)的看法。

   硅材料由于具有间接能隙(indirect bandgap),因此几乎不发光,但是科学家却发现硅纳米结构能有效发光。Hayne表示,了解发光的机制对于制作硅发光组件至为重要,然而在正常情况下,由晶体缺陷以及量子局限效应产生的光看起来非常相似,很难加以区别。Hayne等人的解决之道是在强磁场下测量这硅纳米微晶的光激发荧光。

   Hayne解释,磁场的特征长度会随着磁场的平方根递减,而外加磁场会压缩发光能态的波函数(wave function),系统能量因而提高。由量子局限态产生的光激发光,在磁场作用下会稍微向高能量端偏移,而缺陷态由于是高度局限,因此发光不受外加磁场影响。然而由于纳米微晶尺寸极小,Hayne等人必须使用强达50 T的磁场才能观察到光激发光光谱的差异。即便如此,量子局限发光的能量位移只有发光谱线半高全宽的0.5%。

   Hayne表示,当大量的晶体缺陷存在时,研究小组并未观察到磁场中的发光有位移,代表此发光源自晶体缺陷;待移除晶体缺陷后,却观察到明显的位移。研究人员还可以使用氢清除缺陷,或是透过紫外光照射微晶移除氢来引进缺陷,在这两种发光机制间切换。实验结果显示,量子局限以及晶体缺陷都可以发光,但是晶体缺陷发光较占优势。

   Hayne表示,使用强磁场是非常可靠的试验,可是结果会随着样本而变,在其它实验中,也可能是量子局限占优势。在他们研究的样品中,确实有少量数含较少缺陷的样品在原始状态下表现出量子局限现象。详见Nature Nanotechnology doi:10.1038/nnano.2008.7。

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