具有敏化效果的硅酸铒及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及硅基光电子领域，具体涉及一种具有敏化效果的硅酸铒及其制备方法 和应用。
【背景技术】
[0002] 多孔硅是一种新型的纳米半导体光电材料，室温下具有好的光致发光、电致发光 等特性，易与现有硅技术兼容，极有可能在硅基光电等多个领域的实现应用。稀土离子铒 (Er)的发光具有温度稳定性好、发光谱线尖锐、对基质材料的依赖性小等优点，尤其是它的 1. 54 y m发光恰好对应于通信光纤的最小吸收波长，因而它在现代光通信技术中占有举足 轻重的地位。
[0003] 近年来，掺铒硅基材料发光受到了广泛了关注，有望在光电子和集成电路等领域 取得应用。但是掺铒硅基材料由于Er的固溶度限制（<10 2°/cm3)，不能达到硅基光电子集成 需要的发光强度。另外，即使掺进去的Er没有偏析和团聚，也会引入较多缺陷进而影响发 光；而且在铒浓度较高时，Er-Er相互作用会导致产生浓度猝灭效应。但是。在硅酸铒材料 中Er并不是掺杂离子而是作为组成元素，和掺铒硅基材料相比Er离子浓度至少提高了两 个数量级，达到l〇 22/cm3,而且减少了 Er离子之间的团聚现象，也降低了浓度猝灭。但是，因 为铒离子的共振激发截面很小，只有8X l(T21cm2,而且铒离子的能级之间相互分立，故而想 激发硅酸铒，需要特定波长的大功率激光器，这大大增加了整个系统的成本，同时也不利于 器件的小型化、集成化。前人的研宄成果表明，硅纳米晶能起到敏化铒离子的作用，其激发 截面比铒离子要高4个数量级，同时其对可见光有着连续的吸收，故而只需采用廉价的LED 来激发。
[0004] H. Isshiki小组在室温下通过旋涂法在Si基底上旋涂ErCl3/乙醇溶液， 再通过快速热处理过程制备出Er-Si-0晶体，研宄了制备的样品的晶体结构、光 致发光谱和光致发光激发谱（Self-assembled infrared-luminescent Er - Si - 0 crystallites on silicon ；Isshiki H, de Dood M J A, Polman A, et al ；Applied Physics Letters, (2004)85:4343):采用不同热处理条件，一个经历了两步热处理过程，第一步为02 气氛下900°C保温4min ;第二步在Ar气氛下继续加热到1200°C并保温3min，该样品记为 RT0A，另一个只有第一步热处理过程，记为RT0。他们分析表明RT0A生成了 Er-Si-0晶体， 而RT0生成的可能为Er203-Si02的组成。但是，研宄RT0A样品的光致激发谱发现其仅有共 振激发谱，没有敏化发光，导致其激发光源需要特定波长且发光较弱。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种有敏化效果的硅酸铒的制备方法，制备得到有较好的敏化效果 的硅酸铒，在非共振激发光下仍有较好发光，可应用于硅基光电集成和光通信等领域。
[0006] 一种具有敏化效果的硅酸铒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007] 将铒可溶化合物溶解于溶剂中得到的溶液旋涂于多孔硅表面，直至旋涂量达到 4. 44X 10_3~4. 44X 10-Wcm2,烘干后，依次经两步热处理得到所述的具有敏化效果的硅 酸铒。
[0008] 本发明采用溶胶凝胶旋涂法，之后再通过一个分步热处理过程得到具有敏化效果 的硅酸铒。其中，第一步热处理过程中，铒化合物分解并与多孔硅反应生成硅酸铒；第二步 热处理过程，生成的硅酸铒逐渐晶化。通过比较激发谱中基底与铒离子共振吸收峰的相对 强度，发现样品中的铒离子可以被有效地敏化激发。
[0009] 作为优选，所述的铒可溶化合物可选自氯化铒、氯化铒的水合物、硝酸铒、硝酸饵 的水合物、硫酸铒或硫酸铒的水合物等等，进一步优选为氯化铒或氯化铒的水合物。
[0010] 所述的溶剂可选自常见溶剂，如乙醇、去离子水、正丁醇等等。
[0011] 作为优选，所述溶液的浓度为〇. 〇〇1~3g/mL。
[0012] 经试验发现，在旋涂Er化合物溶液时，Er化合物溶液的浓度需保持在一定范围 内，Er浓度增加导致后续热处理生成的硅酸铒厚度变厚，纳米硅与硅酸铒之间距离较远，敏 化效果变差，进一步优选，所述溶液的浓度为〇. 1~〇. 14g/mL。
[0013] 所述多孔硅的制备过程如下：
[0014] 将电阻率P = 0. 001~1000 Q . cm的硅片清洗后放入腐蚀液中，所述的腐蚀液为 氢氟酸和乙醇的混合液，氢氟酸和乙醇的体积比=0. 5~2 ;
[0015] 本发明是在多孔硅上制备有敏化效果的硅酸铒，在电化学腐蚀制备多孔硅过程中 所用电流密度和通电时间皆会影响制备的多孔硅的形貌和性能，电流密度较大和腐蚀时间 较长时，腐蚀较为严重，造成多孔硅结构疏松、机械性能较差，不利于下一步复合铒。因此， 在5~50mA/cm 2的电流密度下，通电流20s~2h得到多孔硅；
[0016] 经试验发现，腐蚀电流密度大的多孔硅上制备得到的硅酸铒发光强度更大，因此 优选，电流密度为20~50mA/cm2。
[0017] 旋涂完毕后还需要进行一个热处理过程，使多孔硅和Er3+反应生成硅酸铒，并使 硅酸铒有较好的结晶性能，从而使发光性能较为优异。
[0018] 作为优选，所述的两步热处理具体为：
[0019]先加热至700~1000°C，保温1~60min，气氛为02;再继续加热到1100~1400°C， 并保温1~60min，气氛为Ar。
[0020] 进一步优选，
[0021] 先加热至900°C并保温1~lOmin，气氛为02;再继续加热到1200°C并保温1~ lOmin，气氛为Ar。
[0022] 本发明公开了根据上述的制备方法得到的具有敏化效果的硅酸铒，为由纳米硅柱 及包覆在纳米硅柱表面的单层硅酸铒组成的核壳结构，根据硅片类型、热处理条件的不同 还可以分别得到Er 2Si05、Er2Si207的单一相或两者的混合相。
[0023] 本发明制备的硅酸铒利用其敏化发光性能，不需要采用大功率特定波长激光器激 发，可将其应用于光致发光及电致发光等光电领域。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0025] 本发明在传统的直接在硅上制备硅酸铒方法的基础上，利用旋涂法在多孔硅上 旋涂一层含铒凝胶，从而在后续热处理过程中生成硅酸铒，结合了多孔硅和硅酸铒的优势， 得到了硅纳米晶参与的有敏化发光的硅酸铒，使得硅酸铒发光所需激发条件变简单且提高 了其激发效率。整个生产工艺简单，技术成熟，具有相当的工业应用前景。
【附图说明】
[0026] 图1为实施例1制得的硅酸铒的X射线衍射图（a)和形貌结构图（b);
[0027] 图2为实施例1制得的硅酸铒的光致激发谱（a)和光致发光图（b);
[0028] 图3为实施例2制得的不同Er浓度的硅酸铒的光致发光图；
[0029] 图4为实施例2制得的不同Er浓度的硅酸铒的光致激发谱图。
【具体实施方式】
[0030] 为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的