[发明专利]一种基于颗粒间能量传递实现敏化发光的铒硅酸盐及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于颗粒间能量传递实现敏化发光的铒硅酸盐及其制备方法。该铒硅酸盐以纳米晶形式包裹于非晶氧化硅基质中，且分布在硅纳米晶近邻位置；通过硅纳米晶向铒硅酸盐纳米晶的颗粒间能量传递过程实现敏化发光。该制备方法包括：将不饱和硅氧烷、醇和去离子水混合均匀，随后加入含氯的铒盐溶液，加酸调节pH至3～6，水解得到粉红色均匀溶胶，再将所得溶胶旋涂于单晶硅片表面，待溶剂挥发完毕后，于惰性气氛下1050～1300℃热处理，在非晶氧化硅基质内部自发析出得到处于近邻位置的硅纳米晶和上述铒硅酸盐纳米晶；不饱和硅氧烷中的“不饱和”指硅原子上接有至少一个氢原子；溶胶中Er和Si的原子比为0.025～0.6:1。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，具体涉及一种基于颗粒间能量传递实现敏化发光的铒硅酸盐及其制备方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的迅猛发展，集成电路的特征尺寸逐渐降至几个纳米尺度，传统的金属互联带来了包括电子隧穿、信号串扰和延迟以及发热等诸多棘手的问题，所以科研人员期望采用光子代替电子来传输信号——即发展硅基光电集成代替目前的硅基集成电路。而晶体硅是间接带隙半导体材料，其发光效率极低，难以满足高效硅基光源的要求。科研人员发展了包括多孔硅、硅量子点、硅基铒离子(Er³⁺)发光、应变锗、硅基缺陷、外延Ⅲ-Ⅴ直接带隙薄膜等各种手段来探索硅基光源可能的实现途径。

硅基Er³⁺的第一激发态跃迁至基态辐射出的1.5μm发光恰好对应于目前大规模应用的石英通信光纤的最低损耗窗口，而且Er³⁺掺入不同基质材料中波长均保持稳定，因此硅基Er³⁺发光受到了广泛了关注，有望在硅基光电子、纳米光子学、上转换发光、荧光粉等领域取得大规模应用。

近30年来，掺铒光纤放大器和激光器已经在远距离光通信中取得了巨大的成功，然而在硅基光电集成领域，掺铒材料却由于较低的发光中心Er³⁺浓度难以达到片内集成需求的发光强度和光增益。理论上含铒材料的发光强度和单位长度增益均是由光学活性Er³⁺浓度决定的，所以为了满足硅基光电集成的需求需要进一步提高光学活性Er³⁺浓度。但一般基质中的Er³⁺的固溶度均低于10²⁰cm^-3，达到固溶度之后继续掺入Er³⁺，Er³⁺会倾向于偏析并团聚到一起形成无光学活性的富Er团簇或者硅化铒等硅化物，并且引入很多缺陷，造成发光猝灭。

而以铒硅酸盐为代表的铒化合物中铒并不是掺杂离子而是作为组成元素，Er³⁺浓度可以超过10²²cm^-3，且在晶格中周期排列避免了Er³⁺之间的团聚和偏析，具备优异的光学性质，有良好的应用前景：如宁存政课题组在化学气相沉积法(CVD)生长的硅氯酸铒(Er₃Cl(SiO₄)₂，ECS)纳米线中测试得到了超过100dB cm^-1的巨大净增益(Sun H,Yin L,Liu Z,etal.Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire[J].Nature Photonics,2017,11(9):589–593.)。

尽管铒硅酸盐拥有优异的光学性质，其应用仍然存在一些困难，这是由于Er³⁺自身的能级结构导致的，其仅能吸收特定波长的激光且吸收截面很小，也就是说Er³⁺的激发比较困难，需要特定波长的大功率激光器作为激发源。在掺铒材料中，人们通过引入吸收截面较大的硅纳米晶传递能量给Er³⁺来实现敏化发光，但是在铒硅酸盐中这一方法很难奏效。首先是铒硅酸盐和硅在基质中同时析出且结晶比较困难，其次由于存在一定的晶格失配控制两个纳米晶的距离也存在较大困难。

发明内容