Nghiên ứu hế tạo nano tinh thể sige pha tạp er bằng phương pháp phún xạ atốt

Phún x magnetron ...

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

Hà N i 2019

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17062857729141000000 f4c0268c-1fbc-4ca5-85a8-b832bfc58cc8

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

NG DN KHOA HC:

TS NGÔ NGC HÀ

Hà Ni  2019

i

L Ờ I CẢM ƠN

Trong su t quá trình h c t p t i Vi o Qu c T v Khoa h c V

giúp em r t nhi u trong quá trình th c hi n lu này Vì v y, em

c th hi n lòng bi c s gi ng d y h t s c t n tâm và có trách n

c a quý th y, cô giáo

c bi t, e c bày t s kính tr ng và lòng bi

xin chúc th y có nhi u s c kh ti p t c s nghi p nghiên c u, gi ng d y cmình và có th t nhi u thành công, h nh phúc trong cu c s ng

quan tâm, ng viên và t o m u ki n thu n l i nh em

h c t p nghiên c u khoa h c trong su t th i gian qua

Hà N

H ọ c viên

Trầ n Th ị Thùy Dương

ii

L ỜI CAM ĐOAN

  li u và k t qu nghiên c   tài là trung th c, các k t qu nghiên c u    c th c hi n t  i Vio Qu c T v Khoa h V   c t li   u i s ng d n c a th y TS Ngô Ng c Hà, các tài li u tham kh     c trích d

Người cam đoan

Trần Thị Thùy Dương

iii

M Ụ C LỤ C

LI C i

L ii

MC LC iii

DANH MC CÁC KÝ HI U VÀ CH  VI T T T v 

DANH MC CÁC BNG BIU vi

DANH MC CÁC HÌNH V TH vii 

M  U 1

NG QUAN 5

1.1 Vt liu silic 5

1.1.1 C u trúc tinh th c  a vt liu silic 5

1.1.2 Cng c a v t liu silic kh i 6 

1.2 Vt liu gecmani 8

1.2.1 C u trúc tinh th c  a vt liu gecmani 8

1.2.2 Cng ca vt liu gecmani kh i 9 

1.3 Vt li u h p kim SiGe 10

1.4 Vt li u 12

1.5 Nhóm nguyên t  t him và nguyên t erbi 14 

1.5.1 Nhóm nguyên t  t him 14

1.5.2 Nguyên t erbi 17

1.6 Quá trình truyng t SiGe sang Er 3+ 19

1.7 Tình hình nghiên cu hi n nay c a v  t liu SiGe:Er3+ 20

C NGHI M CH T O M U 25    

2.1 Gii thi cat t 25 

2.1.1 n ch t c  25

2.1.2 Các loi phún x 26

iv

2.1.2.1 Phún x n mt chiu (DC) 26

2.1.2.2 Phún x n xoay chi u (RF) 27 

2.1.2.3 Phún x magnetron 28

2.2 Quy trình ch t o m u 28   

2.2.1 Vt liu và hóa cht 28

2.2.2 Quá trình x  và bia 29

2.2.3 T o bia v t li u Er   2O3 30

2.2.4 To mu nano tinh th SiGe:Er3+ 31

2.2.5 Quá trình x lý nhi t 32 

2.3 pháp kh o sát c u trúc và tính ch  t ca v t li u nano tinh th  Si1-xGex:Er3+ 33

2.3.1 Kính hi n t quét (SEM) 33

2.3.2 Ph tán sng tia X (EDS) 34

2.3.3  Raman 35

2.3.4   h p th t ngo  i   ki kh n (Uv Vis) 36 

T QU VÀ TH O LU N 38   

3.1 ng chu n phún x và c u thành c   a v t li u nano tinh th SiGe:Er3+ 38

3.2 ng ca nhit   lên s hình thành c u trúc c a vt liu 42

3.3 ng ca thành phn lên s hình thành c u trúc c  a vt liu 44

3.4 Kho sát ph h p th t ngo    i    kh ki n (UvVis) ca vt liu nano tinh th Si1-xGex:Er3+ 45

KT LUN 50

TÀI LIU THAM KH O 51 

v

DANH M Ụ C CÁC KÝ HI U VÀ CH ẾT TẮT Ệ Ữ VI

Si:Er3+ Silicon doped with Er3+ions Silic pha t p Er 3+

SiGe:Er3+ Silicon-Germanium doped with Er3+ ions SiGe pha t p Er 3+

SEM Scanning electron microscopy Kính hi n t quét EDS Energy dispersive X-ray spectrocopy Ph tán sng

Uv Vis Ultraviolet Visible  T ngo i  Kh khi n 

n xoay chi u) 

Bu ki n phún x c a các màng nano tinh th    Si1 x  Gex:Er3+ bpháp phún x catt 40

B ng 3.3: B ng so sánh gi  a kt qu tính toán và th c t   c  dày màng m ng sau khi phún x 41

vii

DANH MỤ C CÁC HÌNH V Ẽ, ĐỒ TH Ị

Hình 1.1: Cu trúc tinh th c a Si 5 

Hình 1.2: Vùng Brillouin th  I ng v i m ng tinh th [2] 6  

Hình 1.3: Cng c a Si trong không gian k 7

Hình 1.4: M  n c a bán d n Ge [2] 9 

Hình 1.5: Cng c a Ge trong vùng không gian k [2] 10

Hình 1 6: S  ng vùng c m E g c a Si 1-x Gex theo thành ph n x [42] 11

Hình 1.7: Cu trúc mô ph ng c a t   di n SiO4 13

Hình 1.8: C u trúc tinh th c a: (a) Th ch anh      , (c) Cristobalit [3] 13

Hình 1.9: Mô hình tách mng l p 4f 17

Hình 1.10: Gi các mng c a ion Er 3+ t do và trong v t r n Các    mc nng c a ion Er 3+ trong vt rn b tách thành nhi u m c con do hi  u ng Stark [31] 18

Hình 1.11: Mô hình  truyng c a các SiGe nc pha t p Er   3+ trong n n v t liuSiO2 20

Hình 1.12: Ph PL c a m u Si   0,83Ge0,17:Er  nhi  850 t o      nhi  (a) 60 K, (b)150 K và (c)300 K [9] 21

Hình 1.13: Ph PL  nhi phòng c a t t c các lo i NW nhi       600 oC: (a) C u trúc Ge(SiEr) trong N  2; (b) C u trúc Ge/Si/Er trong không khí; (c)C u trúc    Ge/Er/Si  trong N2; (d) C u trúc Ge NW pha t c  trong không khí; (e) C u trúc Ge/Si/Er trong N  2 (ex = 488 nm 200 mW) [45] 23

Hình 2.1:   h phún x m t chi u 26  

  h phún x xoay chi u 27 

viii

  h phún x : a) Magnetron DC, b) Magnetron RF 28

   h th ng x lý nhi t 32 

Hình 2.5:  ch  t o nano tinh th Si 1-xGex:Er3+ bng phún x  catt 32

   c u t o và nguyên t c ho  ng c a máy SEM 33   

Hình 3.1:  dày màng m ng sau khi phún x c a các m u K    1 K 6 38

ng chu n phún x c a các bia SiO   2, Si và Ge 39

Hình 3.3: Các bia s  d ng trong quá trình phún x 39

 dày màng m ng sau khi phún x c a các m u M1     M5 41

Hình 3.5: Ph tán sng tia X c a m u M1 M5 sau khi phún x 42   

Hình 3.6: Ph Raman c a m c   các nhi  khác nhau 43 

Hình 3.7: Ph Raman c a các m u M1    c   nhi 900 oC 44

Hình 3.8: Ph  h p th Uv Vis ca mc   các nhi  khác nhau 45 

Hình 3.9: Ph  h p th Uv Vis ca mc   các nhi  khác nhau 46 

Hình 3.10: Ph  h p th  Uv Vis ca mc   các nhi  khác nhau 46 

Hình 3.11: Cng c a h p kim SiGe th hi n chuy n d i tr      c tip E1 và E2 [1] 47

Hình 3.12: Ph h p th    UvVis c a các nano tinh th  M1  c   nhi 900 oC 48

Hình 3.13: Ph h p th    UvVis c a các nano tinh th  M1  c   nhi 1000 oC 49

1

M Ở ĐẦ U

1 Lí do ch ọ n đ ề tài

S (Si) là v t li u bán d n quan ilic    trng t   nh i v i các ngành công ngh vi 

   n t n t [5, 7, 38] Nh ng lý do chính cho thành công này có th k   

n kh      d n t n c a l p oxit SiO  2 n d n khi

c pha t p, k t h p v i kh        i c a c tính t bán d n lo i n sang   loi p là nguyên t ph bi n th hai sau oxy trong t nhiên, d dàng th ng Si        hóa b m t b ng l p oxy hóa t nhiên        c nh nhi t cao lên 

t i 1100  oC, Riêng v tính ch t hu  nh quang c a v t li u,    Si c nhi u nhà khoa 

h c quan tâm nghiên c u, b kh   i     k t h p gi công ngh a    n t v

v c quang t - s tích h p các ph n t phát quang tr c ti p lên trên các vi m        ch

   n t c phát tri n các ngu  Si là yêu c u t t y u Tuy nhiên r t khó t     c phát x quang t bán d n kh   thun do Si là m t ch t bán d n    vùng c m xiên [24, 25, 28]  kh c phu này,

m t s        vi thu nh v t li u xu ng kích c    

ng t ho c ti p các thành ph n quang vào v t li u [26, 34] Trong    

 hai, nhi u nghiên c u t p trung vào phát tri n các ngu n phát x      

có c sóng 1,54  [6, 12, 33] Ngu n phát x t i c sóng 1,54  có liên   quan   c truy n thông tin quang, b  c sóng này n m trong c a s   quang h c th ba [4, 37], d i h p th quang h c p nh      th c truy n d n  

và khui quang silica S tích h p Si và phát x quang h c t   c sóng 1,54  này hoàn toàn kh thi b i b n thân không h p th ánh sáng t   Si   i

c sóng này

Kh     c sóng 1,54  g ng v i d ch chuy    n t tr ng thái 4I13/2 4I15/2) c a l  n t 4f khi n   t him Er3+ thành mtr t trong

nh ng nguyên t t hi m ch         c truyn thông tin quang [4] Không gi phát x c a bán d n là d a vào vùng c m, s phát x c a các        

t hi m Er 3+ c c kì là  nh nh vào s   i tr ng thái  ng trong

2

l n t 4f  y, c bao b c b i l    n t

ít ch u ng bi v t li u n n và nhi  xung quanh

Nghiên c u c a Priolo và các c ng s [32] cho th y tính ch t phát quang c a       các ion Er3+c c i thi n rõ r nh vào   t  vitinh th Si (Si  NC) vào trong    SiO n n v t li u 2 Trong h v t li u này, Si     NC ng kh 

p th các photon ánh sáng và truy ng nà kích thích các ion

Er3+ lân c n Chính nh quá trình này,    phát quang c a v t li   n t cácion Er3+ t i nhi  t Bên c kích   r ng vùng c m c a v t li   c m r ng so v i v t li u kh i làm suy gi     Si  m

 quá trình truyng t  t hi m Er 3+ b kích thích sang các Si-NC, dn s d p t t hu nh quang     n các ion Er3+ [13] ch truyng gi a Si-NC và các Er 3+c quan sát b ng th c nghi  m [16, 17] Khi các ion Er3+c pha t p vào trong v t li u -NC phân tán trong    SiSiO2,  hu nh quang c a các gi m  Si  NC  ng th i xu t hi n các phát x    

 n t các ion Er3+ c gi i thích b ng quá trình truy  ng t Si- ng các ErNC sa 3+ làm s  ng c exciton sinh ra trong các tinh th -NC ác  Si

ging này truyng sang cho các ion Er3+ trong  t lin n v u [14] M c dù v y, s khác bi t gi    a    r ng ng vùng c m c Si  a  NC (~ 1,4-1,7 eV) ng phát ra t các ion Er 3+ i l n, dn

S k t h p gi a Si và Ge t o nên v t li u lai hóa có kh           r ng vùng

c m trong kho ng 0,66 eV (Ge) 1,12 eV (Si)   ng th ng cao ca

 n t nh   ng c n t trong Ge M c dù s   ng phát quang nhi  phòng c a Er 3+ ng tht li u n n SiO  2

c báo cáo [22] Kh  ng c a h p kim SiGe  

3

  i s ng m t cách hi u qu    cho vi c kích thích các ion 

Er3+ thông qua quá trình truy ng t các c u trúc SiGe ng th i, các    

h p kim SiGe d a trên    nên v t li u Si nên có t n d ng nh ng l i th c  th      a công ngh s n xu   n t [27, 48] Vì v y, v t li u h p kim SiGe pha t p v     i các ion Er3+ (SiGe:Er3+) trong SiO2 c ch n làm v t li u n    ng

hi u qu phát x ánh sáng     c sóng 1,54 m  Hiu qu phát x c a Er   3+ tc sóng 1,54 m v i các c u trúc gi    ng t ho c v t li u kh i SiGe       c chng minh là ti ch Si pha t p Er  3+thun [23, 41] Trong các v t li u n n có c u trúc nano, hi u su t hu nh quang c a các ion Er     3+c ng

 [40] c gi i thích thông qua hi u ng giam gi  ng t , các      

m  ng trong c u trúc nano b   ng t hóa, hình thành các m  

n dn th i gian s ng c a các h t t       S giam gi ng 

t ng th i v i vi    c ng c a các h t t  n m r ng, s xen ph c a các     hàm sóng c a các h t t  n v i các tâm t p   ,  kh các tâm t p  c

  V t li u nano tinh th SiGe    i là cách ti p 

c n hi u qu gi m t     ng trong quá trình kích thích các ion Er3+ và nâng cao hi u su t phát x     c sóng 1,54 m

V i lý do trên và nh ng u ki n hi n có c nhóm nghiên c u      a  quynh ch tài: “Nghiên cứ u ch t o nano tinh th SiGe pha t p Er b ng ế ạ ể ạ ằ phương pháp phún xạ cat t’’ nghiên c u ố  

2 M c tiêu c ụ ủa đề tài

- Ch t o thành công v t li u nano tinh th      Si1-xGex:Er3+ b

4

- Phm vi nghiên c u:  Ch  t o, x m u các nhi lý     khác nhau 

a các v t li u Si  1-xGex:Er3+ bEDS, Uv Vis và Raman 

- III: Kt qu và tho lun

T p trung trình bày các k t qu     c t c nghi m, th o luth   các kt qu trên.

5

CHƯƠNG I: T NG QUAN Ổ 1.1 V ậ t liệu silic

1.1.1 C u trúc tinh th c a v ấ ể ủ ậ t liệ sil u ic

Silic (Si) là nguyên t  thuc nhóm IV trong b ng h   thng tu n hoàn Medeleev c phát hi)  là nguyên nguyên t  ph  bi n th hai sau oxy, có giá thành s n xu t r , công ngh    ch    t o nh v i s n ph  u ra có

s h khi t cao T các lý do trên,  tin   Si là bán d n hình có nh ng ng  

d ng thi t th   i s ng và khoa h  t o pin m t tr i, các   thi t b bán dnsis

V t li u tinh th   Si có  trúc c u tinh th m c nhóm không gian Fd3m     hình 1.1 Trong c u trúc này, m     có hai nguyên t : m t nguyên t n Si   m  nút mng (0, 0, 0) và nguyên t th hai n m    

v trí ( , trong ng s m  dài b ng 5,43 Å M i nguyên  

t liên k t v i b n nguyên t g n nh t và b n nguyên t này t o thành m t t  Si           

diu v i m t nguyên t n   m  tâm c a t di n Si có bán kính nguyên t b ng     

v y, Si có 2 l y hoàn toàn và l p ngoài cùng   y

g m 2 electron ng thái 3s và 2 electron ng thái 3p  tr tr

Si có c u trúc tinh th    B louin th nhril  t ng v i m ng

tinh th này có d ng   h 1.2ình  m t hình có 14 m t: 6 m t hình vuông v  i

7

trng hoàn toàn và vùng hóa tr g m 4    n t y hoàn toàn Vùng hóa tr 

c a Si có ch a các vùng con g  ng và vùng d n c a Si g m nhi u    

ng ch ng lên nhau (hình 1.3) 

D a vào s k t h p gi a tính toán lý thuy t và th c nghi m v các tính ch         t

c a tinh th      c s ph   thu c c ng vào vect sóng E(k) 

8

d n c a Si là nhi u elip xoáy n    hình 1.2 S ph   thuc

cng vào k lân c c tin c c bi u di 

1.2 V ậ t liệu gecmani

1.2.1 C u trúc tinh th c a v ấ ể ủ ậ t liệu gecmani

Gecmani (Ge) là nguyên t  thuc nhóm IV trong b ng tu n hoàn  Mendeleev Nhng tính ch t lý hóa c  

1771, r     c c Vineder phát hi     m khong 0,7 % kh i  ng c a v     t, c     t Zn, Pb

 t li u bán d n quan ng    tr c s d ng nhi u trong ngành công nghin t Cu trúc tinh th  c a Ge  m hai m ng 

l t l ng vào nhau, phân m ng này n m    1/4 ng chéo chính

c a phân m ng kia Trong m   có 8 nguyên t  Ge, m i nguyên t Ge là tâm c a m t hình t    diu, c u t o t b n nguyên t lân c n g n nh t xung        

Ma Ge là 8 n a hình xoay kh i elip d c theo các tr c [111],    biên c a vùng Brillouin t i tâm các hình xoay kh i elip và các m     ng không i i T m m trên vùng Brillouin, n u dùng m t mng

lc ti u m t ít thì ch có m t n a elip n m trong vùng Brillouin th nh       t

y v i 8 c c   ti  chi x ng có 8 n a elip n m trong vùng Brillou (hình   in1.4)

b  ng [111] c a tinh th , nói cách khác là    m L, tâm

c a các m t 6 c nh c vùng Brilouin    a

s  ng vùng c m c a SiGe theo thành ph n x ng th i, s thay      

ng vùng c m E g theo thành ph n Ge c a h p kim SiGe có th     c mô

nc và Ge nc [47] Các tính ch t phát quang c a tinh th     c  m t s nhóm nghiên ci ta th y r ng các SiGe nc hi n th m     nh phát quang

r ng gi vùng 1,2 eV và 1,5 eV tùy thu c vào n  a   Trong các thí nghiGe m

v v t li u SiGe c a Fuji,      Ge vào m ng tinh th Si s gây ra s r i lo     n trong m ng tinh th [15]     làm gi m s phát quang và th  i gian s ng exciton  n tinh th nano [35, 39] 

Ph n l n tính ch t quang h c c  c quan tâm nghiên c u b t ngu n   

t mong mu n ch t o ra các thi t b         n t d a trên Si, mang lc ti n 

m i cho ngành công nghi  n t Vì th , s hình thành c  ng t SiGe trong các thi t b Si h a h n th hi         i thi n tính ch t quang  không my ng c a Si do chuy n m  c nng gián ti p c a nó mang l   i

1.4 V ậ t liệu silic đioxit hay silica

Ssilica (SiO2) là khoáng ch t d i dào nh t trong l p v      trái

t, t n t  i d ng t ho c k t h p v i các oxit khác d ng mui silicat      

c tìm th y ph bi n trong t nhiên d ng cát hay th ch anh Silica có hai       

d ng c u trúc là d ng tinh th     nh hình Trong t nhiên, SiO 2 t n t i ch y u    

  d ng tinh th ho c vi tinh th Ba d ng tinh th c a SiO      2  áp sung là th ch 

alit M i d ng thù hình này l i có hai d ng c u trúc th c      

 n nhi th p và d  n nhi cao T t c nh ng d ng    tinh th  u bao g m nh ng nhóm t n SiO  di 4 ni vi nhau qua nh ng nguyên 

t O chung Trong t di n SiO   4, nguyên t Si n m  tâm c a t di n liên k t c ng     hóa tr v i b n nguyên t O n    m  nh c a t di n    (hình 1.7)  v y, mi

13

nguyên t O liên k t v i hai nguyên t     Si  hai t n khác nhau và tính trung  di

bình c trên m t nguyên t Si có hai nguyên t O   

Hình 1.7 C u trúc mô ph ng c a t di n SiO: 4

Hình 1.8: C u trúc tinh th c a: (a) Th ch anh , (c) Cristob

Ba d ng thù hình c a SiO2 có các cách s p x p khác nhau c a các nhóm t    

din SiO4 trong tinh th Trong th ch anh, nh ng nhóm t     dic  s p x p sao

cho các nguyên t Si n m trên m  ng xo n c N u chi u c u trúc tinh th c      a

tht ph  ng xo n    c hình 1.8a Tùy theo

chi u c ng xo n  ch anh quay trái và quay ph i Còn trong  

1.8b), các nguyên t Si chi m v trí c a các nguyên t và S và Zn     

trong mi vuazit Trong cristobalit (hình 1.8c), các nguyên t Si chi m v    trí

c a các nguyên t S và Zn trong m  i sphalerit Liên kt gia các nguyên t Si 

vc thc hin qua nguyên t [3] O

Các nguyên t t hi  m (RE) g m t p h p c    i b y nguyên t hóa h c  

có s nguyên t t    n 71 trong b ng tu n hoàn c a Mendeleev: La, Ce, Pr, Nd,   

Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu C u hình electron chung c a các  nguyên t  t him:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2

(n: nh n các giá tr t 0 ÷ 14; còn m ch nh n giá tr 0 ho      c 1) Tính ch t quang c t hi m ch y u ph     thuc vào c n t

c a chúng Các nguyên t t hi m có kh      p th và phát x ánh sáng trong  

d i  c sóng h p, th i gian s ng ng thái gi b n l n, hi u su    tr     ng t  cao

Do v y, chúng có vai trò r t quan tr  c linh ki n t , quang n 

t , quang t , thông tin quang h c và y sinh [21, 43]   

Trong s  t hi m thì có 13 ion có th   Ce, Pr, Nd,

c tính phát x c t hi m này là do trong ion t n t  n t bên trong l p v 4f  ny, khi chúng

b kích thích lên các m n xu ng m 

l ng th   c xu ng m   n s t o ra quá trình phát quang Nh ng   chuy n d i này g i là nh ng chuy n d i phát x c       t hi m L p v 4f có   

th ch a t c là   tr y l p 4f có 14 electron B ng 1 cho th y s   ng c a các electron 4f trong tr n ct him

ng Vì l p 4f còn b che ch n b i các l p v n t khác bên ngoài nên do         

hi u ng che ch n c a các l p v n t bên ngoài này mà các m        ng

ng v i các chuy n d  i hp

16

Chính vì v y mà khi xét s phát x c   t hing tinh th thì

ph phát x c a ion cô l p b      ng ít bng tinh th Tuy nhiên, s   tác y u c a ion v  ng tinh th   gây nên hing

i hi u su t phát quang hay th i gian s   ng th i, tác d ng c a   

ng tinh th   tách mng c  n t l p 4f Khi xét ion    

t hi m trong m ng n n thì có th      t hi m ch u s    ng c a 

ng tinh th y u nên khi mu n tính toán m   ng c a m t hi m thì có th tính toán cho ion t   t nhi u lo  n

ng cng tinh thng tinh th y u  nên h m ng ct hii nhi u trong các m ng n  n khác nhau ng rõ ràng nh t c a m ng n n t i tính ch t quang c a các ion       

t hi m th hi n s        r ng v ch ph phát x   

 S ự tách mức năng lượng ở phân l p 4f c a nguyên t ớ ủ ố đất hiếm

 i v i các ion t do, chúng không có vai trò c ng tinh th Các ion 

n gi n t Ti tác spin-qu o  thì các mng 2S+1L lc tách thành nhi u m c khác theo s    ng t

t ng c ng J và ta có các m    ng 2S+1LJ      ng c a 

ng tinh th c a m ng n n L      n t y) ct hic bao b c b i 2 l p l   y 5s25p6  u ng cng tinh th xung quanh là 

17

y u, nên có th xem   ng tinh th là m t nhi u lo   m trên d n t i

hing ít ph  thuc vào m ng n n c a RE, tuy v y m ng n n khác nhau s        có

s tách các m ng khác nhau ph thu c vào s i x ng khác nhau c     a

các m ng n n Nhi u lo n c    ng tinh th i v   n t 4f c a ion RE 3+

th  hi n thông qua th    u d ng V e Hing này gây nên s tách suy bi n góc và t o ra các tr  ng ph thu c vào L và S Gi i bài   

toán gi toán t Hamilton H = H TD + Ve s 

th y, t ngo i và hng ngo i g n  

18

Erbi tinh khi t có c  n t là [Xe]4f126s2([Xe] bi u di n c u hình là   

  n t c a nguyên t xenon 1s 22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6) Khi pha t p vào trong m ng n n,   Er ng m t m   n t phân l  n t phân l p 

bng tinh th bao xung quanh ion này Tuy nhiên, do l p 4f b che ch n b    i

19

các l p v bên ngoài n m sát nhau là 5s và 5p cho nên    ng cng tinh th  ng 4f c a ion Er 3+ trong v t r n  không khác nhi u so v i các m  ng 4f c a ion Er 3+ t  do ng duy nh t c ng tinh th n các m  ng 4f c a ion Er 3+ là làm cho các mng này b tách thành các m ng khác nhau liên quan

n hi u ng Stark gây ra b  ng c a c u hình nguyên t bao quanh ion   

Er3+

Hình 1.10 là gi  gi  các m  ng c a ion Er 3+ t do và trong v t r n Khi kích thích    c sóng 1,48 µm thì v t li u này phát quang   

  ng v  ng b ng 0,8 eV S phát quang này  

n s d ch chuy n quang h c bên trong l p 4f t tr ng thái kích thích       th  nh t xu ng tr n c a ion Er 3+t li u pha t p E   c ng

dng nhic truy n d n và khu  i quang b i vì v t li u này phát   

    ng trùng v i vùng t n hao quang h c th p nh t trong s i      quang hc silica [37]

1.6 Quá trình truyền năng lượng từ SiGe sang Er 3+

Khi c ph i tr n vào Si s      ng tinh th  xung quanh các ion Er3+ nên ph phát x hu nh quang c a Er    3+ trong hai v t li u   Si

và SiGe g n gi ng th kích thích ion Er3+   nhau [44]a trên mô hình truyng ca Si  nc pha t p Er 3+ trong nn SiO2c mô hình th hi  truyng c a các SiGe  

nc pha t p Er 3+ trong n n v t li u   SiO2 (hình 1.11ng ca Si 

nc c thay bth ng c SiGe nc V i kh a      r ng

ng c a SiGe nc   i thành ph n c a Ge s t     r ng khe

ng phù h kích thích tr c ti p các ion Er  3+ t  trn lên các trng thái kích thích th cao  ng tái hi ph c 

và phát x  c sóng 1,54 m ng th SiGe nc có th kh c ph  i,    c

c hing d p t t hu nh quang v t li u d ng kh i và gi m thi         ng

20

m t mát trong quá trình t i h p exciton c a SiGe t i v trí b      n các ion

Er3+ hình 1.11, khi n t    c kích thích t vùng hóa tr lên vùng d n c SiGe    a

 nc, hình thành m t exciton trong nano tinh th này Exciton này có th tái h   p phát x và phát ra m ng photon c a quá trình tái h p exciton này  

ph  thuc vào thành phc c a nano tinh th SiGe do  

hi u ng c     ng t Quá trình truy   ng t nano tinh th  SiGe sang ion Er3+ x y ra n u có m t ion Er   3+ ng g n nano tinh th Si này   

SiO2

1.7 Tình hình nghiên c u ứ hiện nay ủ ật liệ c a v u SiGe:Er 3+

Nhng nghiên c u hi n nay c v t li u bán d n pha t p Er  a     3+ th  hi n

c s phát quang  nh vùng h ng ngo i g n (IR) Nh     ph n 

m u, vi c tìm ki m v t li u       i công ngh Si và có th ho  ng

n phát quang khi pha t p  ion Er3+ c t ra Trong b i c nh phát  tri n c a khoa h c công ngh , m t l i th quan tr ng c a SiGe là nó có th d          dàng tích h p trong công ngh x lý Si hi n có Vì th SiGe:Er     3+ b c t p trung nghiên c u và có nh ng ng d ng trong công ngh    n t Kh   i cthin tính ch t quang c a   ion Er3+ c ch ng minh b ng s k t h p c a Er      3+

c u tính ch t hu nh quang c a v t li u [9]       và  phát tri n nghiên c u tính cht n phát quang nh m ch t  t phát quang (LED) [10] ính cht hunh quang n Er3+ c quan sát khá rõ  c sóng kho ng 1550 

nmng v i d ch chuy n t ng thái    tr 4I13/2 4I15/2 hunh quang (PL) t t nh t   i v i m u Si0.83Ge0.17:Er3+c   850 °C trong th i gian 20 phút, 

22

  i v i c ch t o t v t li u SiGe pha t p Er      3+ mang 

l i  c tính   n n áp khá t t, v c trong kho ng t   n 14 V Trong vùng phân c c thu n, h s     ng c tìm thy

là 1,84, u này cho th n chuy n ti p b chi ph i b i s tái h      n tích không gian m c c y ion Er3+ vào mu là có th m soát  ki

c n và phân b c a các ch t c n c y Tuy nhiên, m     m c a k  thut này là các va ch m h t nhân x y ra trong quá trình c y ion s d     n thi t 

h   cho m ng tinh th Neufeld [29, 30] và các c ng s c      nghiên c u v v t li u SiGe:    Er3+ c ch  t o hoàn toàn bMBEthay vì c thêm ion Ery 3+ ng th i s d ng o      ng hi u qu phát  quang Cn phát quang trên các m u Si và SiGe pha t p   Er3+

có n  i c th c hi n K  t qu phát quang cho tín hi u t t      c sóng 1,54  , c u trúc v ch ph  phn ánh s phân tách  ng l n t 4f

c t hi m Er 3+ trong ng tinh th bán d n SiGe c a tr    n

4I15/2 và tr ng thái kích thích  4I13/2 Khi nhi  n nhi phòng,

c phát quang s m m gi nh  i v i các m u có c trúc l p Si/SiGe xen  u 

k , s phát quang m  c quan sát th y khi các ion Er 3+ c tích h p vào các l p SiGe ch không ph i vào các l p Si i u này       c gi i thích b i s giam   

gi các t t  h i i n sinh ra trong quá trình kích thích quang hc trong các l p SiGe 

N    u Ji Wu [45]    t o thành công dây nano (NW) SiGe pha t p Er 3+ b ng cách l ng Si và Er3+ trên lõi Ge và nghiên c u 

c tính phát x  c a chúng   i v i c u trúc  c ch   t o b ng cách l  ng  

Si trên lõi NW Ge, p theo là l p giàu ti  Er3+ (Ge/Si/Er), c u trúc này cho th y kh   

p kim SiGe khá d  dàng, tuy nhiên vi c t p trung các tâm phát quang trên b m t NW t o ra m t ngu n phát quang khá y u Khi c Si và Er       3+

 c l ng th i trên lõi NW (Ge(SiEr)), s Ge  xu t hi n c a Er   3+ làm

gim thình thành hp kim SiGe (t c Er 3+làm cn tr quá trình khuch tán Si vào lõi Ge) C u trúc này  làm giEr  d n quá trình phát

x m nh   c sóng 1 m Khi Er3+ c chèn vào gi a các l p Ge và   Si

 phát x khiêm t n 1540 nm sau khi     ng N2 và b ng kho    phát x t c      c x     (hình

 i v i c       phát x    trong vùng h ng ngo i g n, ngo i tr các c     c ph m t l p Si b m t r     t

m ng (50 nm) và trong không khí thay vì N  2; nh ng m y mang l i hi u  

qu phát x ánh sáng h ng ngo i m    u (hình 1.13b) Phát x c a c u trúc   

Ge NW pha tc th hi n tron   