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氢化纳米硅薄膜的拉曼光谱研究：量子限制与激光加热效应

作　者: 段雨
导　师: 沈文忠
学　校: 上海交通大学
专　业: 凝聚态物理学
关键词: 纳米硅颗粒热效应量子限制效应拉曼光谱激光功率
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文研究的主要内容为氢化纳米硅薄膜的拉曼光谱性质,我们利用空间分辨率为微米量级的显微拉曼(Raman)技术,研究了不同尺寸大小的样品在不同的激光功率下的拉曼光谱,得到了氢化纳米硅薄膜量子限制与激光加热效应特性,详细分析了晶格动力学性质。首先文章对纳米硅薄膜的研究现状做了一个综述,总结了目前为止关于纳米硅薄膜的分类,生长机制及表征手段;接下来介绍了Raman光谱的原理、拉曼选择定则、拉曼光谱仪的分类等,详细叙述了对氢化纳米硅薄膜进行拉曼光谱分析常用的理论模型。分析揭示出通过拉曼光谱,可以得出由PECVD法制备nc-Si:H样品的晶粒尺寸、晶态比、应力等参数,为接下来的研究提供理论依据。纳米硅薄膜是一种由纳米量级单晶硅颗粒镶嵌于多晶硅网络中而组成的混相材料,近年来,硅纳米结构在研究最基本的物理性质和潜在的硅光电子器件应用方面引起了人们的广泛关注,国内外对于硅纳米颗粒的量子限制效应方面做了较多的研究。到目前为止,对于不同尺寸的硅纳米颗粒的拉曼谱线与激光照射引起的温度升高关系的实验研究报道很少。我们通过显微拉曼的手段来研究氢化纳米硅薄膜中晶格振动的性质,由于半导体纳米颗粒的导热性能比较差,通过显微拉曼手段,通过探测拉曼散射中Stokes和anti-Stokes峰方便地获得纳米颗粒的局域温度来监测半导体纳米材料激光加热效应对晶格振动的影响。运用了一个详细的考虑了三声子和四声子耦合的模型,研究了纳米结构中激光照射引起的三、四声子弛豫过程以及半导体纳米结构中声子振动性质有关的声子动力学行为。我们发现随温度增加,频率发生红移,这主要是由于非谐振项的耦合起了作用。另外我们还研究了非谐效应对拉曼散射峰展宽的影响。结合不同尺寸下的声子态密度谱,我们给出了不同尺寸的样品随温度变化,TO2模的衰变路径。此外,通过分析拟合参数,清楚地了解了耦合模寿命随温度和尺寸变化的行为。我们重点分析了温度和量子尺寸效应对氢化纳米硅晶格振动,特别是声子弛豫性质的影响,实验上证实了量子限制效应对晶粒平均尺寸小于6nm时作用较明显的理论结果。然而对这部分内容的研究在定性阶段,还需要进一步的定量分析和理论探讨。本论文紧紧结合了拉曼光谱的研究方法和氢化纳米硅材料的物理特性这两点,一方面详细地阐述了如何将显微光谱应用到纳米硅材料的研究中去,另一方面也分析了所得到的氢化纳米硅材料物理特性,这些基本的性质对今后人们的研究提供了很好的参考依据。从研究的方法来看,本论文选择最合适的模型和理论来拟合和分析实验数据,再根据理论分析需求来设计更好的光谱实验,力求实验数据更可靠,理论模型更贴切。所有的这些成果都在SCI收录论文中进行了报道。以上研究得到了国家自然科学基金(编号10734020, 11074169,和11174202)以及“国家重点基础研究项目”的资助。

全文目录

中文摘要  5-8
英文摘要  8-13
第一章绪论  13-15
  1.1 研究背景和现状  13-14
  1.2 我们的工作  14-15
第二章硅薄膜的分类、氢化纳米硅薄膜的制备与表征  15-37
  2.1 常见硅基薄膜的类型  15-17
    2.1.1 单晶硅(c-Si)  15
    2.1.2 非晶硅(a-Si)  15-16
    2.1.3 氢化纳米硅(nc-Si:H)  16-17
    2.1.4 多孔硅及其它单晶-非晶混相硅基材料  17
  2.2 氢化纳米硅(nc-Si:H)薄膜的生长机制  17-19
  2.3 纳米硅(nc-Si)薄膜的制备方法  19-27
    2.3.1 物理沉积方法  19-23
    2.3.2 化学沉积方法  23-27
  2.4 纳米硅薄膜表征分析手段  27-34
    2.4.1 透射电镜(TEM)及高分辨透射电镜(HRTEM)  28
    2.4.2 原子力显微镜(AFM)  28-29
    2.4.3 X 射线衍射谱(XRD)  29-31
    2.4.4 红外(IR)吸收谱和透射谱  31-32
    2.4.5 拉曼散射(Raman)光谱分析  32-33
    2.4.6 光致发光(PL)谱分析  33-34
  2.5 本章小结  34-35
  参考文献  35-37
第三章拉曼光谱理论基础  37-59
  3.1 晶格振动光谱学的理论基础  38-44
    3.1.1 一维单原子链的振动  38-40
    3.1.2 一维双原子链的振动  40-42
    3.1.3 声子  42-44
  3.2 晶格振动的拉曼光谱学  44-48
  3.3 拉曼散射的选择定则  48-49
  3.4 氢化纳米硅的拉曼光谱研究  49-52
    3.4.1 拉曼光谱技术的分类  49-50
    3.4.2 纳米硅结构实验用拉曼光谱仪  50-52
    3.4.3 样品的制备和实验条件  52
  3.5 氢化纳米硅三维声子限制模型  52-56
  3.6 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第四章氢化纳米硅变功率拉曼光谱研究  59-71
  4.1 纳米硅薄膜常温变激光功率的拉曼光谱  59-62
  4.2 半导体变温拉曼光谱理论模型  62-63
  4.3 实验结果分析  63-69
    4.3.1 氢化纳米硅拉曼频移-温度规律  63-67
    4.3.2 氢化纳米硅拉曼线宽、寿命-温度规律  67-69
  4.4 本章小结  69-70
  参考文献  70-71
第五章总结  71-72
附录1  72-75
致谢  75-76
攻读硕士学位期间已发表的论文  76

氢化纳米硅薄膜的拉曼光谱研究：量子限制与激光加热效应

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