中國科學院半導體所駱軍委研究員：硅量子點發光機制研究取得新成果

【成果簡介】

中國科學院半導體研究所超晶格國家重點實驗室研究員駱軍委，使用現代納米計算技術模擬真實的硅量子點，計算得到的吸收和發光光譜與最新發展的單量子點光譜技術得到的硅量子點光譜非常吻合，在系統分析了硅量子點電子結構隨量子點大小變化后，發現處于高能硅直接帶隙躍遷并沒有隨硅量子點的變小而顯著發生紅移，并最終導致硅量子點成為直接帶隙發光，這推翻了Gregorkiewicz研究組認為的硅量子點可以成為直接帶隙發光的發現，該研究將在全球范圍內及時制止在該硅基發光方向進行無謂的研究。研究成果近日以題為“Absence of redshift in the direct bandgap of silicon nanocrystals with reduced size”在線發表在Nature Nanotechnology上，研究工作得到了國家自然科學基金委、中組部青年千人計劃的支持。

【圖文導讀】

圖1 性能表征

a,根據Gregorkiewicz研究組的實驗數據，硅量子點間接帶隙基態PL帶和高能直接帶隙PL帶隨量子點直徑大小改變的變化。

b,對于直徑3納米硅量子點，在溫度為70?K測得的單量子發光譜和吸收譜與理論計算結果的比較。

c,Gregorkiewicz研究組的實驗數據指出隨量子點減小直接帶隙在能量上迅速紅移（光譜上的紅移是指光子能量變小，光子波長變長），該研究的理論結果指出隨硅量子點變小，直接帶隙沒有發生顯著紅移，而是有一點藍移。

圖2 實驗數據的比較

黑色，紅色和藍色符號分別對應于具有任何Γ-特征、具有≥10％和≥50％的Γ-特征的最低能量狀態。

【研究內容】

延續了半個多世紀的摩爾定律預計將在2020年左右失效，硅基光電集成技術有望接替微電子成為未來信息技術的基石，但硅基光電子集成技術的實用化面臨缺少硅基片上光源這一最后障礙。因此，硅基片上光源是當前半導體技術皇冠上的明珠，其研制成功將引領整個硅基光電子集成技術的重大變革。硅光電集成技術處于前沿探索階段的半導體量子計算芯片的核心地位，可為集成在同一個芯片上的量子器件與光電器件提供信息交換和通信。

國際上，已提出硅量子點、硅鍺超晶格、鍺錫合金、應變鍺、III-V族與硅的混合集成、稀土元素摻雜、硅同素異晶體等硅基片上光源方案，但迄今還沒有可用于硅光電集成技術的實用化光源。硅量子點在1988年被制備出后，得到廣泛研究，成為實現硅發光的有力候選者，但硅量子點的發光機制及是否高效發光存在爭議。2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學教授Gregorkiewicz研究組發表在Nature Nano的論文，發現高能熱PL峰隨硅量子點的變小在能量上發生反常的顯著紅移，而基態PL峰跟預期的一樣在量子束縛效應作用下發生藍移，這個高能PL峰來自硅的Г-Г直接帶隙躍遷。如果這一結論成立，那么，由此外推可以發現當硅量子點縮小到2納米以下后可以實現由間接帶隙到直接帶隙的轉變，從而實現硅量子點直接帶隙發光，論文一經發表后立即引起廣泛關注和跟進研究。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170927_4616120.shtml

文獻鏈接：Absence of redshift in the direct bandgap of silicon nanocrystals with reduced size (Nature Nanotechnology, 2017, DOI:10.1038/nnano.2017.190)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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