[發明專利]一種基于顆粒間能量傳遞實現敏化發光的鉺硅酸鹽及其制備方法

在審

• 申請號: 202011309850.1
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112410032A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 李東升;沈浩;尚華寶;楊德仁
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C09K11/79
• 分類號: C09K11/79
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于顆粒間能量傳遞實現敏化發光的鉺硅酸鹽及其制備方法。該鉺硅酸鹽以納米晶形式包裹于非晶氧化硅基質中，且分布在硅納米晶近鄰位置；通過硅納米晶向鉺硅酸鹽納米晶的顆粒間能量傳遞過程實現敏化發光。該制備方法包括：將不飽和硅氧烷、醇和去離子水混合均勻，隨后加入含氯的鉺鹽溶液，加酸調節pH至3～6，水解得到粉紅色均勻溶膠，再將所得溶膠旋涂于單晶硅片表面，待溶劑揮發完畢后，于惰性氣氛下1050～1300℃熱處理，在非晶氧化硅基質內部自發析出得到處于近鄰位置的硅納米晶和上述鉺硅酸鹽納米晶；不飽和硅氧烷中的“不飽和”指硅原子上接有至少一個氫原子；溶膠中Er和Si的原子比為0.025～0.6:1。

技術領域

本發明涉及硅基光電子技術領域，具體涉及一種基于顆粒間能量傳遞實現敏化發光的鉺硅酸鹽及其制備方法。

背景技術

隨著超大規模集成電路的迅猛發展，集成電路的特征尺寸逐漸降至幾個納米尺度，傳統的金屬互聯帶來了包括電子隧穿、信號串擾和延遲以及發熱等諸多棘手的問題，所以科研人員期望采用光子代替電子來傳輸信號——即發展硅基光電集成代替目前的硅基集成電路。而晶體硅是間接帶隙半導體材料，其發光效率極低，難以滿足高效硅基光源的要求。科研人員發展了包括多孔硅、硅量子點、硅基鉺離子(Er³⁺)發光、應變鍺、硅基缺陷、外延Ⅲ-Ⅴ直接帶隙薄膜等各種手段來探索硅基光源可能的實現途徑。

硅基Er³⁺的第一激發態躍遷至基態輻射出的1.5μm發光恰好對應于目前大規模應用的石英通信光纖的最低損耗窗口，而且Er³⁺摻入不同基質材料中波長均保持穩定，因此硅基Er³⁺發光受到了廣泛了關注，有望在硅基光電子、納米光子學、上轉換發光、熒光粉等領域取得大規模應用。

近30年來，摻鉺光纖放大器和激光器已經在遠距離光通信中取得了巨大的成功，然而在硅基光電集成領域，摻鉺材料卻由于較低的發光中心Er³⁺濃度難以達到片內集成需求的發光強度和光增益。理論上含鉺材料的發光強度和單位長度增益均是由光學活性Er³⁺濃度決定的，所以為了滿足硅基光電集成的需求需要進一步提高光學活性Er³⁺濃度。但一般基質中的Er³⁺的固溶度均低于10²⁰cm^-3，達到固溶度之后繼續摻入Er³⁺，Er³⁺會傾向于偏析并團聚到一起形成無光學活性的富Er團簇或者硅化鉺等硅化物，并且引入很多缺陷，造成發光猝滅。

而以鉺硅酸鹽為代表的鉺化合物中鉺并不是摻雜離子而是作為組成元素，Er³⁺濃度可以超過10²²cm^-3，且在晶格中周期排列避免了Er³⁺之間的團聚和偏析，具備優異的光學性質，有良好的應用前景：如寧存政課題組在化學氣相沉積法(CVD)生長的硅氯酸鉺(Er₃Cl(SiO₄)₂，ECS)納米線中測試得到了超過100dB cm^-1的巨大凈增益(Sun H,Yin L,Liu Z,etal.Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire[J].Nature Photonics,2017,11(9):589–593.)。

盡管鉺硅酸鹽擁有優異的光學性質，其應用仍然存在一些困難，這是由于Er³⁺自身的能級結構導致的，其僅能吸收特定波長的激光且吸收截面很小，也就是說Er³⁺的激發比較困難，需要特定波長的大功率激光器作為激發源。在摻鉺材料中，人們通過引入吸收截面較大的硅納米晶傳遞能量給Er³⁺來實現敏化發光，但是在鉺硅酸鹽中這一方法很難奏效。首先是鉺硅酸鹽和硅在基質中同時析出且結晶比較困難，其次由于存在一定的晶格失配控制兩個納米晶的距離也存在較大困難。

發明內容