Фотолюминисцентные свойства ионов эрбия в слоях твердых растворов кремний-германия и в структурах с кремниевыми нанокристаллами (1105145), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Полученные результаты объяснены процессами обмена энергиеймежду экситонами в nc-Si и окружающими их ионами Er3+ в условиях переводабольшейчастиионовввозбужденнойсостояние.Соответствующийколичественный анализ выполнен в следующем разделе.В разделе 4.3 рассматривается феноменологическая модель связаннойсистемы, в которой осуществляется передача энергии от экситонов вкремниевых нанокристаллах к ионам Er3+, расположенным в окружающем SiO2.Для описания процессов поглощения и релаксации энергии использоваласьследующая система дифференциальных уравнений:⎧ dn *n*= n0 ⋅ σ ⋅ φ − − γ ⋅ n * ⋅ N 0⎪τ0⎪ dt⎪ dN *N*⎪*⎨ dt = γ ⋅ n ⋅ N 0 − τ1⎪⎪ n = n0 + n *⎪*⎪⎩ N Er = N 0 + N(6)где n0 и n* – концентрация нанокристаллов, содержащих 0 и 1 экситон, или,другими словами, находящихся в основном и возбужденном состояниях,соответственно, n – общая концентрация нанокристаллов, N0 и N* –концентрация ионов эрбия, находящихся в основном и возбужденномсостояниях, соответственно, NEr – общая концентрация оптически активныхионов Er3+, τ0 – время жизни экситона, τ1 – время жизни иона Er3+ ввозбужденном состоянии, σ – сечение поглощения фотона нанокристаллом, γ –коэффициент связи, φ – плотность потока фотонов накачки.
Показано, чтомодель хорошо описывает экспериментальные кинетики ФЛ, а также позволяетобъяснить наблюдаемый в наших экспериментах сверхлинейный рост18интенсивности экситонной ФЛ в зависимости от накачки при наличии ионовэрбия (акцепторов энергии). Численный расчёт с использованием системы (6)позволяет обозначить границы применимости формулы (4): точное значениеN*/ NEr, полученное численным методом, будет незначительно отличаться отприближённого, полученного по формуле (6), в том случае, если τ0 << τ1. Этоусловие реализуется для образцов nc-Si/SiO2:Er при комнатных температурах,поскольку характерное время жизни экситонов при этом не превышаетдесятков микросекунд.
Кроме того, в работе показывается, что данное условиесправедливо также для Si1-xGex:Er слоёв, поскольку τ0 в таких структурах дажепри низких температурах много меньше времени жизни ФЛ ионов Er3+.Анализ зависимостей времён нарастания и спада ФЛ структур nc-Si/SiO2:Er0.8nc-Si/SiO2:Er (тип 1: NEr~10 см )0.7nc-Si/SiO2:Er (тип 2: NEr~10 см )20-319-3отпоказал,0.6*N /NErинтенсивностичтонакачкиинверснаянаселенность (NEr*/NEr >0.5) в0.50.4образцах nc-Si/SiO2:Er типа 20.3достигается0.2dnc-Si= 4 нм0.10.0-210-1100102Интенсивность накачки, Вт/смРис.7.Зависимостиотносительнойконцентрации возбужденных ионов Er3+ вобразцах nc-Si/SiO2:Er (тип 1 и 2) отинтенсивности накачки.
hνex = 2.14÷2.43 эВ,Т = 300 К. Пунктирная линия соответствует–достижениезначениюN*/NEr = 0.5инверсной населенности уровней эрбия.приинтенсивностяхвидимымВт/cм2возбуждениясветом(рис.7).сIex>0.1Вслучаеобразцов nc-Si/SiO2:Er типа 1длядостижениянаселенностиболееинверснойтребоваласьмощнаявследствиебольшихПосколькунаселённостьнакачкаNEr.инверснаявисследуемыхструктурах nc-Si/SiO2:Er достигалась при комнатной температуре, полученныерезультатымогутпредставлятьпрактическийинтересдляразработкиоптических усилителей и светоизлучающих устройств на основе кремния.19ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫВ работе изучены ФЛ свойства ионов эрбия, находящихся в слояхтвёрдых растворов кремний-германия и в структурах с кремниевыминанокристаллами.
Были получены следующие основные результаты:1. На основании исследования ФЛ твердых растворов Si1-xGex:Er обнаруженыдва основных вида оптически активных центров Er3+, интенсивность ивремена жизни ФЛ которых зависят от концентрации германия, температурыи интенсивности возбуждения.
Полученные результаты объясняются врамках модели, предполагающей возбуждение и девозбуждение ионов привзаимодействии с электронной подсистемой матрицы Si1-xGex.2. На основании анализа кинетик нарастания и спада ФЛ ионов эрбия в слояхSi1-xGex:Er при интенсивной оптической накачке показана возможностьдостиженияинверснойнаселенностиуровнейэнергииионовEr3+посредством передачи энергии электронного возбуждения от матрицыSi1-xGex.3. Обнаружено увеличение ширины спектра и укорочение времени жизни ФЛионов эрбия вструктурах nc-Si/SiO2:Er при увеличении размеровкремниевых нанокристаллов от 1.5 до 4.5 нм, что объясняется влияниемнеоднородных электрических полей на границах nc-Si/SiO2 на состоянияионов Er3+.4.
Обнаружено, что с ростом интенсивности оптического возбуждения вструктурах nc-Si/SiO2:Er происходит укорочение времени жизни ФЛ ионовEr3+, что объясняется как безызлучательной оже-деактивацией ионоввследствие обратного переноса энергии к кремниевым нанокристаллам, таки возможным вкладом вынужденных оптических переходов.205.
Предложена феноменологическая модель, объясняющая наблюдаемыйсверхлинейный рост интенсивности ФЛ экситонов в нанокристаллах Si приналичии акцепторов энергии – ионов Er3+, а также подтверждающаяправомерность использования решения приближенного кинетическогоуравнения для расчетов относительной концентрации возбужденных ионовEr3+ в структурах nc-Si/SiO2:Er и Si1-xGex:Er.6. Установлено, что в образцах nc-Si/SiO2:Er при интенсивной оптическойнакачке может достигаться инверсная населенность уровней энергии ионовEr3+ посредством переноса энергии от экситонов, локализованных вкремниевых нанокристаллах.ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА[1] L. Canham, Gaining light from silicon // Nature, 2000, v.
408, p. 411- 412.[2] A. Polman, Erbium implanted thin film photonic materials // J. Appl. Phys., 1997,v. 82, pp. 1-39.[3] С.П. Светлов, В.Г. Шенгуров, В.Ю. Чалков, З.Ф. Красильник, Б.А. Андреев,Ю.Н. Дроздов,ГетероэпитаксиальныеструктурыSi1–xGex/Si (100),полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния всреде GeH4 // Изв. РАН Cер. физ., 2001, т. 65, c. 203.[4] M. Zacharias, J. Heitmann, R. Scholz, U. Kahler, M. Schmidt, J. Bläsing,Size-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A SiO/SiO2 superlatticeapproach // Appl. Phys.
Lett., 2002, v. 80, pp. 661-663.[5] S. Takeoka, M. Fujii, S. Hayashi, Size-dependent photoluminescence fromsurface-oxidized Si nanocrystals in a weak confinement regime // Phys. Rev. B,2000, v. 62, pp. 16820-16825.[6] H. Przybylinska,W. Yantsch,Yu. Suprin-Belevitch,M. Stepikhova,L. Palmetshofer, G. Hendorfer, A. Kozanecki, R.J.
Wilson, B.J. Sealy, Opticallyactive erbium centers in silicon // Phys. Rev. B, 1996, v. 54, pp. 2532-2547.[7] J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L.C. Kimerling, Electroluminescence oferbium-doped silicon // Phys. Rev. B, 1996, v. 54, pp. 17603-17615.[8] R. Chen, Apparent stretched-exponential luminescence decay in crystalline solids// J. Lumin., 2003, v. 102–103, pp. 510-518.[9] M. Fujii, M. Yoshida, Y. Kanzava, S.
Hayashi, K. Yamamoto, 1.54 μ mphotoluminescence of Er3+ doped into SiO2 films containing Si nanocrystals:Evidence for energy transfer from Si nanocrystals to Er3+ //Appl. Phys. Lett., 1997,v. 71, pp. 1198-1200.21ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. V.Yu. Timoshenko,M.G. Lisachenko,O.A.
Shalygina,B.V. Kamenev,D.M. Zhigunov, S.A. Teterukov, P.K. Kashkarov, J. Heitmann, M. Zacharias,Comparative Study of Photoluminescence of Undoped and Erbium-Doped SizeControlled Nanocrystalline Si/SiO2 Multilayered Structures // J. Appl. Phys.,2004, v. 96, n. 4, pp.
2254-2260.2. В.Ю. Тимошенко,О.А. Шалыгина,М.Г. Лисаченко,Д.M. Жигунов,С.A. Тетеруков,П.К. Кашкаров, D. Kovalev, M. Zacharias, K. Imakita,M. Fujii, Люминесценция ионов эрбия в слоях кремниевых нанокристалловв матрице диоксида кремния при сильном оптическом возбуждении // ФТТ,2005, т. 47, вып. 1, с. 116-119.3. С.А. Тетеруков,М.Г. Лисаченко,О.А.
Шалыгина,Д.М. Жигунов,В.Ю. Тимошенко,П.К. Кашкаров,Влияниенеоднородностейдиэлектрической проницаемости твердотельной матрицы на ширину спектралюминесценции ионов эрбия // ФТТ, 2005, т. 47, вып. 1, с. 102-104.4. О.А. Шалыгина,Д.М. Жигунов,М.Г. Лисаченко,С.А. Тетеруков,Д.А. Сапун, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров, Структуры кремниевыхнанокристаллов с примесью эрбия и их возможные применения всветоизлучающих оптоэлектронных устройствах // Вестник МГУ, Серия 3,Физика. Астрономия, 2005, № 1, с. 27-34.5. М.В.
Степихова, Д.М. Жигунов, В.Г. Шенгуров, В.Ю. Тимошенко, Л.В.Красильникова, В.Ю. Чалков, С.П. Светлов, О.А. Шалыгина, П.К. Кашкаров,З.Ф. Красильник, Инверсная населенность уровней энергии ионов эрбия припередаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах наоснове кремния/германия // Письма в ЖЭТФ, 2005, т. 81, вып.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
