超晶格法制备多层Ge纳米晶Si基薄膜的光学特性研究

"这篇论文是2012年发表在《陕西师范大学学报(自然科学版)》第40卷第5期上的一篇自然科学论文，主要研究了多层Ge纳米晶镶嵌在Si基薄膜上的制备及其光学特性。研究采用了超晶格方法，通过射频磁控共溅射技术并在N2气氛中进行退火处理，成功制备了多层Ge纳米晶(Ge-ncs)与SiO2/GeO2复合薄膜。论文还运用椭圆偏振光谱法分析了Ge-ncs的光学性质，并利用sp3紧束缚理论解释了带隙宽化现象。实验结果显示，多层Ge-ncs具有高密度、尺寸和位置分布均匀的特性，平均纳米晶尺寸为9.8纳米。复合薄膜表现出正常色散特性，并在1340纳米处有显著的吸收峰。Ge-ncs的光学带隙为0.82电子伏特，相比块体Ge材料，其带隙宽化0.16电子伏特，这主要归因于Ge-ncs中的量子限制效应。" 在本研究中，作者首先介绍了采用超晶格技术来制备多层Ge纳米晶的方法，这是一种利用射频磁控共溅射技术在氮气氛围下对硅基底进行处理的技术。通过这种方法，可以实现Ge纳米晶的高密度排列，同时确保纳米晶的尺寸均匀，平均直径约为9.8纳米。这一尺寸在纳米材料领域中是非常小的，有助于实现特定的量子效应。 接着，论文详细探讨了Ge-ncs的光学特性。通过椭圆偏振光谱法，研究人员发现复合薄膜（Ge-ncs+SiO2/GeO2）具有正常色散特性，这意味着随着光波长的变化，光的速度会有所不同。在1340纳米处，薄膜表现出强烈的吸收，这可能表明在这个特定波长下，Ge-ncs与SiO2/GeO2界面间的相互作用产生了显著的光学响应。 此外，研究还关注了Ge-ncs的带隙宽化现象。与传统的块体Ge材料相比，Ge-ncs的带隙从约0.66电子伏特拓宽到了0.82电子伏特，这0.16电子伏特的带隙增加主要归因于量子限制效应。量子限制效应是指在纳米尺度下，粒子的能级受到物理尺寸的限制，导致能带结构发生改变，从而引起带隙宽度的调整。在这种情况下，Ge-ncs的小尺寸使得电子的运动受到限制，进而影响其能带结构，表现为带隙的拓宽。 论文最后提出了sp3紧束缚理论来解释这一现象。sp3紧束缚模型是一种常用的固体物理模型，用于描述原子间价电子的结合状态，尤其适用于像Ge这样的半导体材料。通过这个理论，作者能够更深入地理解纳米晶中电子的能级分布和带隙宽化的原因。 这篇论文的研究成果对于纳米材料科学、半导体光学以及相关光电子器件的设计具有重要意义，为理解纳米尺度下材料的光学行为提供了新的见解。