具有敏化效果的硅酸鉺及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及硅基光電子領(lǐng)域，具體涉及一種具有敏化效果的硅酸鉺及其制備方法 和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 多孔硅是一種新型的納米半導體光電材料，室溫下具有好的光致發(fā)光、電致發(fā)光 等特性，易與現(xiàn)有硅技術(shù)兼容，極有可能在硅基光電等多個領(lǐng)域的實現(xiàn)應(yīng)用。稀土離子鉺 (Er)的發(fā)光具有溫度穩(wěn)定性好、發(fā)光譜線尖銳、對基質(zhì)材料的依賴性小等優(yōu)點，尤其是它的 1. 54 y m發(fā)光恰好對應(yīng)于通信光纖的最小吸收波長，因而它在現(xiàn)代光通信技術(shù)中占有舉足 輕重的地位。
[0003] 近年來，摻鉺硅基材料發(fā)光受到了廣泛了關(guān)注，有望在光電子和集成電路等領(lǐng)域 取得應(yīng)用。但是摻鉺硅基材料由于Er的固溶度限制（<10 2°/cm3)，不能達到硅基光電子集成 需要的發(fā)光強度。另外，即使摻進去的Er沒有偏析和團聚，也會引入較多缺陷進而影響發(fā) 光；而且在鉺濃度較高時，Er-Er相互作用會導致產(chǎn)生濃度猝滅效應(yīng)。但是。在硅酸鉺材料 中Er并不是摻雜離子而是作為組成元素，和摻鉺硅基材料相比Er離子濃度至少提高了兩 個數(shù)量級，達到l〇 22/cm3,而且減少了 Er離子之間的團聚現(xiàn)象，也降低了濃度猝滅。但是，因 為鉺離子的共振激發(fā)截面很小，只有8X l(T21cm2,而且鉺離子的能級之間相互分立，故而想 激發(fā)硅酸鉺，需要特定波長的大功率激光器，這大大增加了整個系統(tǒng)的成本，同時也不利于 器件的小型化、集成化。前人的研宄成果表明，硅納米晶能起到敏化鉺離子的作用，其激發(fā) 截面比鉺離子要高4個數(shù)量級，同時其對可見光有著連續(xù)的吸收，故而只需采用廉價的LED 來激發(fā)。
[0004] H. Isshiki小組在室溫下通過旋涂法在Si基底上旋涂ErCl3/乙醇溶液， 再通過快速熱處理過程制備出Er-Si-0晶體，研宄了制備的樣品的晶體結(jié)構(gòu)、光 致發(fā)光譜和光致發(fā)光激發(fā)譜（Self-assembled infrared-luminescent Er - Si - 0 crystallites on silicon ；Isshiki H, de Dood M J A, Polman A, et al ；Applied Physics Letters, (2004)85:4343):采用不同熱處理條件，一個經(jīng)歷了兩步熱處理過程，第一步為02 氣氛下900°C保溫4min ;第二步在Ar氣氛下繼續(xù)加熱到1200°C并保溫3min，該樣品記為 RT0A，另一個只有第一步熱處理過程，記為RT0。他們分析表明RT0A生成了 Er-Si-0晶體， 而RT0生成的可能為Er203-Si02的組成。但是，研宄RT0A樣品的光致激發(fā)譜發(fā)現(xiàn)其僅有共 振激發(fā)譜，沒有敏化發(fā)光，導致其激發(fā)光源需要特定波長且發(fā)光較弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種有敏化效果的硅酸鉺的制備方法，制備得到有較好的敏化效果 的硅酸鉺，在非共振激發(fā)光下仍有較好發(fā)光，可應(yīng)用于硅基光電集成和光通信等領(lǐng)域。
[0006] 一種具有敏化效果的硅酸鉺的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0007] 將鉺可溶化合物溶解于溶劑中得到的溶液旋涂于多孔硅表面，直至旋涂量達到 4. 44X 10_3~4. 44X 10-Wcm2,烘干后，依次經(jīng)兩步熱處理得到所述的具有敏化效果的硅 酸鉺。
[0008] 本發(fā)明采用溶膠凝膠旋涂法，之后再通過一個分步熱處理過程得到具有敏化效果 的硅酸鉺。其中，第一步熱處理過程中，鉺化合物分解并與多孔硅反應(yīng)生成硅酸鉺；第二步 熱處理過程，生成的硅酸鉺逐漸晶化。通過比較激發(fā)譜中基底與鉺離子共振吸收峰的相對 強度，發(fā)現(xiàn)樣品中的鉺離子可以被有效地敏化激發(fā)。
[0009] 作為優(yōu)選，所述的鉺可溶化合物可選自氯化鉺、氯化鉺的水合物、硝酸鉺、硝酸餌 的水合物、硫酸鉺或硫酸鉺的水合物等等，進一步優(yōu)選為氯化鉺或氯化鉺的水合物。
[0010] 所述的溶劑可選自常見溶劑，如乙醇、去離子水、正丁醇等等。
[0011] 作為優(yōu)選，所述溶液的濃度為〇. 〇〇1~3g/mL。
[0012] 經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，在旋涂Er化合物溶液時，Er化合物溶液的濃度需保持在一定范圍 內(nèi)，Er濃度增加導致后續(xù)熱處理生成的硅酸鉺厚度變厚，納米硅與硅酸鉺之間距離較遠，敏 化效果變差，進一步優(yōu)選，所述溶液的濃度為〇. 1~〇. 14g/mL。
[0013] 所述多孔硅的制備過程如下：
[0014] 將電阻率P = 0. 001~1000 Q . cm的硅片清洗后放入腐蝕液中，所述的腐蝕液為 氫氟酸和乙醇的混合液，氫氟酸和乙醇的體積比=0. 5~2 ;
[0015] 本發(fā)明是在多孔硅上制備有敏化效果的硅酸鉺，在電化學腐蝕制備多孔硅過程中 所用電流密度和通電時間皆會影響制備的多孔硅的形貌和性能，電流密度較大和腐蝕時間 較長時，腐蝕較為嚴重，造成多孔硅結(jié)構(gòu)疏松、機械性能較差，不利于下一步復(fù)合鉺。因此， 在5~50mA/cm 2的電流密度下，通電流20s~2h得到多孔硅；
[0016] 經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，腐蝕電流密度大的多孔硅上制備得到的硅酸鉺發(fā)光強度更大，因此 優(yōu)選，電流密度為20~50mA/cm2。
[0017] 旋涂完畢后還需要進行一個熱處理過程，使多孔硅和Er3+反應(yīng)生成硅酸鉺，并使 硅酸鉺有較好的結(jié)晶性能，從而使發(fā)光性能較為優(yōu)異。
[0018] 作為優(yōu)選，所述的兩步熱處理具體為：
[0019]先加熱至700~1000°C，保溫1~60min，氣氛為02;再繼續(xù)加熱到1100~1400°C， 并保溫1~60min，氣氛為Ar。
[0020] 進一步優(yōu)選，
[0021] 先加熱至900°C并保溫1~lOmin，氣氛為02;再繼續(xù)加熱到1200°C并保溫1~ lOmin，氣氛為Ar。
[0022] 本發(fā)明公開了根據(jù)上述的制備方法得到的具有敏化效果的硅酸鉺，為由納米硅柱 及包覆在納米硅柱表面的單層硅酸鉺組成的核殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)硅片類型、熱處理條件的不同 還可以分別得到Er 2Si05、Er2Si207的單一相或兩者的混合相。
[0023] 本發(fā)明制備的硅酸鉺利用其敏化發(fā)光性能，不需要采用大功率特定波長激光器激 發(fā)，可將其應(yīng)用于光致發(fā)光及電致發(fā)光等光電領(lǐng)域。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0025] 本發(fā)明在傳統(tǒng)的直接在硅上制備硅酸鉺方法的基礎(chǔ)上，利用旋涂法在多孔硅上 旋涂一層含鉺凝膠，從而在后續(xù)熱處理過程中生成硅酸鉺，結(jié)合了多孔硅和硅酸鉺的優(yōu)勢， 得到了硅納米晶參與的有敏化發(fā)光的硅酸鉺，使得硅酸鉺發(fā)光所需激發(fā)條件變簡單且提高 了其激發(fā)效率。整個生產(chǎn)工藝簡單，技術(shù)成熟，具有相當?shù)墓I(yè)應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0026] 圖1為實施例1制得的硅酸鉺的X射線衍射圖（a)和形貌結(jié)構(gòu)圖（b);
[0027] 圖2為實施例1制得的硅酸鉺的光致激發(fā)譜（a)和光致發(fā)光圖（b);
[0028] 圖3為實施例2制得的不同Er濃度的硅酸鉺的光致發(fā)光圖；
[0029] 圖4為實施例2制得的不同Er濃度的硅酸鉺的光致激發(fā)譜圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡述本發(fā)明的