Emisión Visible de Nanocristales Silicio Dopados Oxígeno en Silicio Negro Ingenierado por Láser

Resumen

Fabricamos silicio negro (BS) usando láser pulsado nanosegundo (ns-láser) bajo vacío o atmósfera oxígeno. Notablemente, mediciones fotoluminiscencia (PL) temperatura ambiente revelan fuerte emisión visible superficie BS tras recocido. Pico láser pronunciado cerca 600 nm aparece dentro estructura cavidad Purcell. Análisis PL detallado muestra estados electrónicos nanocristales silicio dopados oxígeno son fuente principal emisión visible, con picos distintos ~400, 560, y 700 nm. Hallazgos sugieren ruta viable dispositivos luz blanca basados silicio.

Antecedentes

Silicio bulk, con banda prohibida indirecta 1.12 eV, exhibe pobre eficiencia emisión luz. Sin embargo, integrar emisores luz silicio eficientes en chips sigue prioridad máxima optoelectrónica próxima generación. Estudios recientes reportaron emisión visible temperatura ambiente nanoestructuras silicio baja dimensión, especialmente silicio negro (BS) producido procesamiento láser pulsado [1–6]. Láseres pulsados —tanto femtosegundo como nanosegundo— alteran dramáticamente propiedades ópticas silicio, y emisión visible BS ha atraído considerable interés científico, aunque mecanismo aún debatido [13–15]. En este trabajo, generamos superficies BS con ns-láser vacío y ambiente oxígeno 80 Pa, logrando emisión visible eficiente. Recocido mejoraさらに emisión, y espectros PL revelan nanocristales (NC) silicio dopados oxígeno dominan salida visible cerca 400, 560, 700 nm, abriendo perspectivas iluminación estado sólido basada silicio.

Experimentos y Resultados

Sistema grabado láser pulsado (PLE) usado fabricar superficie BS. ns-láser, enfocado ~10 µm spot, procesó obleas silicio tipo-p (10 Ω·cm) vacío (muestra I) o atmósfera oxígeno 80 Pa (muestra II) (Fig. 1a). Red plasmónica emergió espontáneamente BS durante proceso PLE (inset Fig. 1a). Imagen SEM (Fig. 1b) muestra superficie altamente absorbente (<10% reflectancia) índice refracción ~1.88 rango visible, consistente relaciones Kramers-Kronig [16, 17]. TEM confirma presencia NC silicio BS recocido (Fig. 1c).

Espectros PL registrados excitación 266-nm 300 K y 10–200 K cámara 1 Pa. Temperatura y tiempo recocido influyen críticamente cristalización. Recocido 1000 °C 15 min optimiza PL visible 300 K muestra II (oxígeno) y produce fuerte emisión 10 K muestra I (vacío).

Análisis comparativo muestra muestra I exhibe robusto pico 330 nm 10 K (curva negra, Fig. 2a), atribuible emisión NC, mientras muestra II muestra pico 400 nm marcadamente mejorado 300 K (curva roja, Fig. 2b), indicando estados impureza inducidos oxígeno.

~560 nm, intensidad PL muestra II (roja) supera muestra I (negra) 300 K, nuevamente apuntando estados impureza relacionados oxígeno (Fig. 3).

Figura 4a muestra espectros PL muestra I (vacío) 300 K función potencia excitación. Banda ancha refleja dispersión tamaño NC. Tras recocido 1000 °C, banda ancha desaparece, y picos distintos relacionados impureza emergen cerca 600 nm y 700 nm (Fig. 4b).

Más notablemente, pico PL agudo con láser ~600 nm aparece dentro cavidad Purcell micrómetro en superficie BS bajo excitación 514-nm (Fig. 5). Ganancia óptica, extraída método longitud tira variable, alcanza ~130 cm⁻¹.

Discusión

Análisis decaimiento PL NC Si diámetros variables revela transición clara comportamiento banda prohibida indirecta a directa. NC menores (<2 nm) exhiben decaimiento rápido (<1 ns) correspondiente emisión banda directa (~400 nm y ~560 nm). NC mayores (>2.5 nm) muestran decaimiento lento (~µs), característico emisión banda indirecta (~700 nm), junto componentes rápidos estados impureza (Fig. 6).

Modelo emisión (Fig. 7) confirma transiciones banda directa dominan NC sub-2 nm, mientras transiciones banda indirecta y emisiones estados impureza prevalecen NC mayores, consistente teoría confinamiento cuántico.

Conclusión

Nuestro estudio demuestra BS fabricado ns-láser hospeda micro- y nanoestructuras que habilitan PL longitud onda visible adecuada aplicaciones LED. Comparando muestras preparadas vacío y 80 Pa oxígeno, confirmamos estados impureza oxígeno en NC silicio responsables emisión robusta temperatura ambiente 400, 560, 600, 700 nm, mientras pico 330 nm 10 K surge luminiscencia NC. Resultados allanan nuevo camino fuentes luz visible basadas silicio y dispositivos luz blanca.

Métodos

Medición Fotoluminiscencia

Espectros PL registrados excitación 266 o 488-nm 300 K y 17–200 K cámara 1 Pa. Picos agudos con emisión estimulada y características banda directa observados. Pico láser cerca 600 nm BS, logrado tras recocido, cuantificado método longitud tira variable, rindiendo ganancia óptica ~130 cm⁻¹. Espectros decaimiento PL 400, 560, 700 nm medidos excitación 266-nm pulsos ps.