"Физика и техника полупроводников"
Вышедшие номера
Излучение кремниевых нанокристаллов О б з о р
Гусев О.Б.1, Поддубный А.Н.1, Прокофьев А.А.1, Яссиевич И.Н.1
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию: 25 июня 2012 г.
Выставление онлайн: 20 января 2013 г.

Представлены основные экспериментальные результаты, полученные при исследовании фотолюминесценции кремниевых нанокристаллов, и теоретические методы, развитые для описания оптических процессов в них. Основное внимание уделено кремниевым нанокристаллам в матрице SiO2, для которых выполнено наибольшее число работ. Подробно представлены два основных теоретических метода - многозонный метод эффективной массы и метод сильной связи, нашедшие широкое применение для моделирования различных процессов в наноструктурах. Описана также феноменологическая модель для экситона, автолокализованного на поверхности окисленного нанокристалла кремния, которая была недавно построена на основе экспериментальных результатов, полученных с помощью техники фемтосекундной спектроскопии.
  1. S. Furukava, T. Miyasato. Three-dimension quantum well effect in ultrafine silicon particles. Jpn. J. Appl. Phys., 27, L2207 (1988)
  2. А.А. Ищенко, Г.В. Фетисов, Л.А. Асланов. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля (М., Физматлит, 2011)
  3. I. Heitmann, F. Muller, M. Zacharias, U. Gosele. Silicon nanocrystals size matters. Adv. Mater., 17 (7), 795 (2005)
  4. S. Charvet, R. Madelon, R. Rizk, B. Garrido, O. Gonzalez-Varona, M. Lopez, A. Perez-Rodrigues, J. R. Morante. Substrate temperature dependence of the photoluminescence efficiency of cosputtered Si/SiO2 layers. J. Luminesc., 80, 241 (1988)
  5. О.Б. Гусев, Ю.С. Вайнштейн, Ю.К. Ундалов, О.С. Ельцина, И.Н. Трапезникова, Е.И. Теруков, О.М. Сресели. Люминесценция аморфных нанокластеров кремния. Письма ЖЭТФ, 94 (5), 402 (2011)
  6. N. Daldosso, G. Gas, S. Larcheri, G. Mariotto, G. Dalba, L. Pavesi, A. Irrera, F. Priolo, F. Iacona, F. Rocca. Silicon nanocrystal formation in annealed silicon-rich silicon oxide films prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition. J. Appl. Phys., 101 (11), 113 510 (2007)
  7. Z.T. Kang, B. Arnold, C.J. Summers, B.K. Wagner. Synthesis of silicon quantum dot buried SiOx films with controlled luminescent properties for solid-state lighting. Nanotechnology, 17, 4477 (2006)
  8. В.Н. Семиногов, В.И. Соколов, В.Н. Глебов, А.М. Малютин, Е.В. Троицкая, С.И. Молчанова, А.С. Ахманов, В.Я. Панченко, В.Ю. Тимошенко, Д.М. Жигунов, П.А. Форш, О.А. Шалыгина, Н.Е. Маслова, С.С. Абрамчук, П.К. Кашкаров. Исследование структурно-фазовых трансформаций и оптических свойств композитов на основе нанокластеров кремния в матрице оксида кремния. Динамика сложных систем, 3 (2), 3 (2009)
  9. D. Di, I. Perez-Wurfl, L. Wu, Y. Huang, A. Marconi, A. Tengattini, A. Anopchenko, L. Pavesi, G. Conibeer. Electroluminescence from Si nanocrystal/c-Si heterojunction light-emitting diodes. Appl. Phys. Lett., 99 (25), 251 113 (2011)
  10. M. Zacharias, J. Heitmann, R. Scholz, U. Kahler, M. Schmidt, J. Blasing. Size-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A SiO/SiO2 superlattice approach. Appl. Phys. Lett., 80 (4), 661 (2002)
  11. A. Anopchenko, A. Marconi, M. Wang, G. Pucker, P. Bellutti, L. Pavesi. Graded-size Si quantum dot ensembles for efficient light-emitting diodes. Appl. Phys. Lett., 99 (18), 181 108 (2011)
  12. А.В. Ершов, Д.И. Тетельбаум, И.А. Чугров, А.И. Машин, А.Н. Михайлов, А.В. Нежданов, А.А. Ершов, И.А. Карабанова. Эволюция оптических свойств при отжиге многослойной нанопериодической системы SiOx/ZrO2, содержащей нанокластеры кремния. ФТП, 45 (6), 747 (2011)
  13. M. Dovrat, Y. Goshen, J. Jedrzejewski, I. Balberg, A. Sa'ar. Radiative versus nonradiative decay processes in silicon nanocrystals probed by time-resolved photoluminescence spectroscopy. Phys. Rev. B, 69 (15), 155 311 (2004)
  14. А.Н. Карпов, Д.В. Марин, Б.А. Володин, J. Jedrzejewski, Г.А. Качурин, E. Savir, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая, Y. Goldstein, I. Balberg. Формирование SiOx-слоев при плазменном распылении Si- и SiOx-мишеней. ФТП, 42 (6), 747 (2008)
  15. D. Jurbergs, E. Rogojina, L. Mangolini, U. Kortshagen. Silicon nanocrystals with ensemble quantum yields exceeding 60. Appl. Phys. Lett., 88 (23), 233 116 (2006)
  16. M. Rosso-Vasic, E. Spruijt, B. van Lagen, L. De Cola, H. Zuilhof. Alkyl-functionalized oxide-free silicon nanoparticles: Synthesis and optical properties. Small, 4 (10), 1835 (2008)
  17. M. Rosso-Vasic, E. Spruijt, Z. Popovic, K. Overgaag, B. van Lagen, B. Grandidier, D. Vanmaekelbergh, D. Dominguez-Gutierrez, L. De Cola, H. Zuilhof. Amine-terminated silicon nanoparticles: synthesis, optical properties and their use in bioimaging. J. Mater. Chem., 19, 5926 (2009)
  18. J.D. Holmes, K.J. Ziegler, R.C. Doty, L.E. Pell, K.P. Johnston, B.A. Korgel. Highly luminescent silicon nanocrystals with discrete optical transitions. J. Amer. Chem. Soc., 123 (16), 3743 (2001)
  19. D. S. English, L.E. Pell, Z. Yu, P.F. Barbara, B.A. Korgel. Size tunable visible luminescence from individual organic monolayer stabilized silicon nanocrystal quantum dots. Nano Lett., 2 (7), 681 (2002)
  20. A. Tanaka, R. Saito, T. Kamikake, M. Imamura, H. Yasuda. Optical and photoelectron spectroscopic studies of alkyl-passivated silicon nanoparticles. Eur. Phys. J. D, 43 (1--3), 229 (2007)
  21. О.Б. Гусев, А.А. Прокофьев, О.А. Маслова, Е.И. Теруков, И.Н. Яссиевич. Передача энергии между нанокристаллами кремния. Письма ЖЭТФ, 93 (3), 162 (2010)
  22. W.D.A.M. de Boer, D. Timmerman, K. Dohnalova, I.N. Yassievich, H. Zhang, W.J. Buma, T. Gregorkiewicz. Red spectral shift and enhanced quantum efficiently in photon-free photoluminescence from silicon nanocrystals. Nature Nanotechnology, 5, 878 (2010)
  23. S. Takeoka, M. Fujii, S. Hayashi. Size-dependent photoluminescence from surface-oxidized Si nanocrystals in a weak confinement regime. Phys. Rev. B, 62 (24), 16 820 (2000)
  24. A.S. Moskalenko, J. Berakdar, A.A. Prokofiev, I.N. Yassievich. Single-particle states in spherical Si/SiO2 quantum dots. Phys. Rev. B, 76 (8), 085 427 (2007)
  25. K. Watanabe, M. Fujii, S. Hayashi. Resonant excitation of Er3+ by the energy transfer from Si nanocrystals. J. Appl. Phys., 90 (9), 4761 (2001)
  26. S. Guha, S.B. Qadri, R.G. Musket, M.A. Wall, T. Shimizu-Iwayama. Characterization of Si nanocrystals grown by annealing SiO2 films with uniform concentrations of implanted Si. J. Appl. Phys., 88 (7), 3954 (2000)
  27. Y. Kanzawa, T. Kageyama, S. Takeoka, M. Fujii, S. Hayashi, K. Yamamoto. Size-dependent near-infrared photoluminescence spectra of Si nanocrystals embedded in SiO2 matrices. Solid State Commun., 102 (7), 533 (1997)
  28. D.J. Lockwood. Optical properties of porous silicon. Solid State Commun., 92 (1--2), 101 (1994)
  29. D.J. Lockwood, A.G. Wang. Quantum confinement induced photoluminescence in porous silicon. Solid State Commun., 94 (11), 905 (1995)
  30. I. Sychugov, R. Juhasz, J. Valenta, J. Linnors. Narrow luminescence linewidth of a silicon quantum dot. Phys. Rev. Lett., 94, 087 405 (2005)
  31. D. Kovalev, H. Heckler, G. Polisski, F. Koch. Optical properties of Si nanocrystals. Phys. Status Solidi B, 215, 871 (1999)
  32. P.D.J. Calcott, K.J. Nash, L.T. Canham, M.J. Kane, D. Brumhead. Identification of radiative transitions in highly porous silicon. J. Phys.: Condens. Matter, 5 (7), L91 (1993)
  33. A.G. Cullis, L.T. Canham, P.D.J. Calcott. The structural and luminescence properties of porous silicon. J. Appl. Phys., 82 (3), 909 (1997)
  34. J. Heitmann, F. Muller, L. Yi, M. Zacharias, D. Kovalev, F. Eichhorn. Excitons in Si nanocrystals:  confinement and migration effects. Phys. Rev. B, 69, 195 309 (2004)
  35. Tae-Youb Kim, Nae-Man Park, Kyung-Hyun Kim, Gun Yong Sung, Young-Woo Ok, Tae-Yeon Seong, Cheol-Jong Choi. Quantum confinement effect of silicon nanocrystals in situ grown in silicon nitride films. Appl. Phys. Lett., 85 (22), 5355 (2004)
  36. M. Fujii. Optical Properties of Intrinsic and Shallow Impurity-Doped Silicon Nanocrystals. In: Silicon Nanocrystals: Fundamentals. Synthesis and Applications, ed. by L. Pavesi and R. Turan (Wiley-VCH Verlag GmbH \& Co. KGaA, 2010) p. 43
  37. A.A. Prokofiev, A.S. Moskalenko, I.N. Yassievich, W.D.A.M. de Boer, D. Timmerman, H. Zhang, W.J. Buma, T. Gregorkiewicz. Direct bandgap optical transitions in Si nanocrystals. Письма ЖЭТФ, 90 (12), 856 (2009)
  38. C. Delerue, M. Lanoo. Nanostructures. Theory and Modelling (Springer, 2004)
  39. B. Delley, E.F. Steigmeier. Quantum confinement in Si nanocrystals. Phys. Rev. B, 47 (3), 1397 (1993)
  40. C.S. Garoufalis, A.D. Zdetsis. High accuracy calculations of the optical gap and absorption spectrum of oxygen contaminated Si nanocrystals. Phys. Chem. Chem. Phys., 8, 808 (2006)
  41. M. Luppi, S. Ossicini. Ab initio study on oxidized silicon clusters and silicon nanocrystals embedded in SiO2: Beyond the quantum confinement effect. Phys. Rev. B, 71 (3), 035 340 (2005)
  42. E. Luppi, F. Iori, R. Magri, O. Pulci, S. Ossicini, E. Degoli, V. Olevano. Excitons in silicon nanocrystallites: The nature of luminescence. Phys. Rev. B, 75, 033 303 (2007)
  43. L.-W. Wang, A. Zunger. Dielectric constants of silicon quantum dots. Phys. Rev. Lett., 73 (7), 1039 (1994)
  44. S. O g gut, J.R. Chelikowsky, S.G. Louie. Quantum confinement and optical gaps in Si nanocrystals. Phys. Rev. Lett., 79, 1770 (1997)
  45. A.N. Poddubny, A.S. Moskalenko, A.A. Prokofiev, S.V. Goupalov, I.N. Yassievich. Theory of nonradiative transitions of hot carriers in Si/SiO2 nanocrystals. Phys. Status Solidi C, 8 (3), 985 (2011)
  46. Y.M. Niquet, C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo. Method for tight-binding parametrization: Application to silicon nanostructures. Phys. Rev. B, 62 (8), 5109 (2000)
  47. T. Takagahara, K. Takeda. Theory of the quantum confinement effect on excitons in quantum dots of indirect-gap materials. Phys. Rev. B, 46, 15 578 (1992)
  48. В.А. Бурдов. Электронные и дырочные спектры кремниевых квантовых точек. ЖЭТФ, 121, 480 (2002)
  49. А.С. Москаленко, И.Н. Яссиевич. Экситоны в нанокристаллах Si. ФТТ, 46 (8), 1465 (2004)
  50. A.S. Moskalenko, J. Berakdar, A.N. Poddubny, A.A. Prokofiev, I.N. Yassievich, S.V. Goupalov. Multiphonon relaxation of moderately excited carriers in Si/SiO2 nanocrystals. Phys. Rev. B, 85, 085 432 (2012)
  51. В.Н. Абакумов, В.И. Перель, И.Н. Яссиевич. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках (Изд-во "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН", СПб., 1997)
  52. A. Dargys, J. Kundrotas. Handbook on Physical Properties of Ge, Si, GaAs and InP (Science and Encyclopedia Publishers, Vilnius, 1994)
  53. В.А. Бурдов. Зависимость ширины оптической щели кремниевых квантовых точек от их размера. ФТП, 36 (10), 1233 (2002). [Semiconductors, 36, 1154 (2002)]
  54. S.M. Sze. Physics of Semiconductor Devices (Wiley, N.Y., 1981)
  55. Д.А. Варшалович, А.Н. Москалев, В.К. Херсонский. Квантовая теория углового момента (Наука, 1975)
  56. Ал.Л. Эфрос, А.Л. Эфрос. Межзонное поглощение света в полупроводниковом шаре. ФТП, 16 (7), 1209 (1982)
  57. L.E. Brus. Electron--electron and electron--hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. J. Chem. Phys., 80 (9), 4403 (1984)
  58. P.G. Bolcatto, C.R. Proetto. Partially confined excitons in semiconductor nanocrystals with a finite size dielectric interface. J. Phys. Condens. Matter, 13 (2), 319 (2001)
  59. C. Delerue, M. Lannoo, G. Allan. Excitonic and quasiparticle gaps in Si nanocrystals. Phys. Rev. Lett., 84, 2457 (2000)
  60. L. Brey, N.E. Christensen, M. Cardona. Deformation potentials at the valence-band maximum in semiconductors. Phys. Rev. B, 36 (5), 2638 (1987)
  61. A. Blacha, H. Presting, M. Cardona. Deformation potentials of k=0 states of tetrahedral semiconductors. Phys. Status Solidi B, 126 (11), 11 (1984)
  62. A.N. Poddubny, A.A. Prokofiev, I.N. Yassievich. Optical transitions and energy relaxation of hot carriers in Si nanocrystals. Appl. Phys. Lett., 97 (23), 231 116 (2010)
  63. M. Luisier, G. Klimeck. Atomistic full-band simulations of silicon nanowire transistors: Effects of electron--phonon scattering. Phys. Rev. B, 80 (15), 155 430 (2009)
  64. G. Klimeck, S.S. Ahmed, N. Kharche, M. Korkusinski, M. Usman, M. Prada, T.B. Boykin. Atomistic simulation of realistically sized nanodevices using nemo 3-d --- Part II: Applications. IEEE Trans. Electron. Dev., 54 (9), 2090 (2007)
  65. С.В. Гупалов, Е.Л. Ивченко. Обменное взаимодействие между электроном и дыркой в полупроводниках в методе сильной связи. ФТТ, 43, 1791 (2001)
  66. M.V. Wolkin, J. Jorne, P.M. Fauchet, G. Allan, C. Delerue. Electronic states and luminescence in porous silicon quantum dots: The role of oxygen. Phys. Rev. Lett., 82 (1), 197 (1999)
  67. L.-W. Wang, A. Zunger. Pseudopotential theory of nanometer silicon quantum dots. In: Semiconductor Nanoclusters --- Physical, Chemical, and Catalytic Aspects [ Studies in Surface Science and Catalysis, v. 103], ed. by P.V. Kamat and D. Meisel (Elsevier, 1997) p. 161
  68. P.-O. Lowdin. On the non-orthogonality problem connected with the use of atomic wave functions in the theory of molecules and crystals. J. Chem. Phys., 18 (3), 365 (1950)
  69. D.J. Chadi, M.L. Cohen. Tight-binding calculations of the valence bands of diamond and zincblende crystals. Phys. Status Solidi B, 68, 405 (1975)
  70. П. Ю, М. Кардона. Основы физики полупроводников (М., Физматлит, 2002)
  71. S. Froyen, W.A. Harrison. Elementary prediction of linear combination of atomic orbitals matrix elements. Phys. Rev. B, 20 (6), 2420 (1979)
  72. J.-M. Jancu, R. Scholz, F. Beltram, F. Bassani. Empirical spds* tight-binding calculation for cubic semiconductors: General method and material parameters. Phys. Rev. B, 57 (11), 6493 (1998)
  73. J.-M. Jancu, P. Voisin. Tetragonal and trigonal deformations in zinc-blende semiconductors: A tight-binding point of view. Phys. Rev. B, 76 (11), 115 202 (2007)
  74. Y. M. Niquet, D. Rideau, C. Tavernier, H. Jaouen, X. Blase. Onsite matrix elements of the tight-binding hamiltonian of a strained crystal: Application to silicon, germanium, and their alloys. Phys. Rev. B, 79 (24), 245 201 (2009)
  75. W. Zhang, C. Delerue, Y.-M. Niquet, G. Allan, E. Wang. Atomistic modeling of electron--phonon coupling and transport properties in n-type [110] silicon nanowires. Phys. Rev. B, 82 (11), 115 319 (2010).
  76. A. Zunger, M.L. Cohen. First-principles nonlocal-pseudopotential approach in the density-functional formalism. II. Application to electronic and structural properties of solids. Phys. Rev. B, 20, 4082 (1979)
  77. P. Vogl, H.P. Hjalmarson, J.D. Dow. A semi-empirical tight-binding theory of the electronic structure of semiconductors. J. Phys. Chem. Sol., 44 (5), 365 (1983)
  78. T.B. Boykin, G. Klimeck, R.C. Bowen, R. Lake. Effective-mass reproducibility of the nearest-neighbor sp^3s* models: Analytic results. Phys. Rev. B, 56 (7), 4102 (1997)
  79. T.B. Boykin, L.J. Gamble, G. Klimeck, R.C. Bowen. Valence-band warping in tight-binding models. Phys. Rev. B, 59 (11), 7301 (1999)
  80. T.B. Boykin, G. Klimeck, F. Oyafuso. Valence band effective-mass expressions in the sp^3d^5s* empirical tight-binding model applied to a Si and Ge parametrization. Phys. Rev. B, 69 (11), 115 201 (2004)
  81. J.C. Slater, G.F. Koster. Simplified LCAO method for the periodic potential problem. Phys. Rev., 94 (6), 1498 (1954)
  82. D.J. Chadi. Spin--orbit splitting in crystalline and compositionally disordered semiconductors. Phys. Rev. B, 16 (2), 790 (1977)
  83. H. Watanabe, K. Kawabata, T. Ichikawa. A tight binding method study of optimized system. IEEE Trans. Electron. Dev., 57 (11), 3084 (2010)
  84. B. Goller, S. Polisski, H. Wiggers, D. Kovalev. Freestanding spherical silicon nanocrystals: A model system for studying confined excitons. Appl. Phys. Lett., 97 (4), 041 110 (2010)
  85. N.A. Hill, K.B. Whaley. A theoretical study of light emission from nanoscale silicon. J. Electron. Mater., 25, 269 (1996)
  86. D.E. Aspnes, A.A. Studna. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV. Phys. Rev. B, 27, 985 (1983)
  87. M. Cruz, M.R. Beltran, C. Wang, J. Taguena-Martinez, Y.G. Rubo. Supercell approach to the optical properties of porous silicon. Phys. Rev. B, 59 (23), 15 381 (1999)
  88. M.S. Hybertsen. Absorption and emission of light in nanoscale silicon structures. Phys. Rev. Lett., 72 (10), 1514 (1994)
  89. D. Kovalev, J. Diener, H. Heckler, G. Polisski, N. Kunzner, F. Koch. Optical absorption cross sections of Si nanocrystals. Phys. Rev. B, 61 (7), 4485 (2000)
  90. C. Delerue, M. Lannoo, G. Allan. Tight binding for complex semiconductor systems. Phys. Status Solidi B, 227, 115 (2001)
  91. C.-S. Yang, R.A. Bley, S.M. Kauzlarich, H.W.H. Lee, G.R. Delgado. Synthesis of alkyl-terminated silicon nanoclusters by a solution route. J. Amer. Chem. Soc., 121 (22), 5191 (1999)
  92. F.A. Reboredo, G. Galli. Theory of alkyl-terminated silicon quantum dots. J. Phys. Chem. B, 109 (3), 1072 (2005)
  93. A. Laref, S. Laref. Electronic and optical properties of SiC polytypes using a transferable semi-empirical tight-binding model. Phys. Statis Solidi B, 245 (1), 89 (2008)
  94. F. Koch, V. Petrova-Koch, T. Muschik. The luminescence of porous Si: the case for the surface state mechanism. J. Luminesc., 57 (1--6), 271 (1993)
  95. A.Yu. Kobitski, K.S. Zhuravlev, H.P. Wagner, D.R.T. Zahn. Self-trapped exciton recombination in silicon nanocrystals. Phys. Rev. B, 63, 115 423 (2001)
  96. C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon. Phys. Rev. B, 48 (15), 11 024 (1993)
  97. Y. Dai, S. Han, D. Dai, Y. Zhang, Y. Qi. Surface passivant effects on electronic states of the band edge in Si-nanocrystals. Solid State Commun., 126 (3), 103 (2003)
  98. W.D.A.M. de Boer, D. Timmerman, T. Gregorkiewicz, H. Zhang, W.J. Buma, A.N. Poddubny, A.A. Prokofiev, I.N. Yassievich. Self-trapped exciton state in Si nanocrystals revealed by induced absorption. Phys. Rev. B, 85, 161 409 (2012)
  99. K. Huang, A. Rhys. Theory of light absorption and non-radiative transitions in f-centres. Proc. Royal Soc. (London) Ser. A, 204 (1078), 406 (1950)
  100. A.N. Poddubny, S.V. Goupalov, V.I. Kozub, I.N. Yassievich. Electron--phonon interaction in non-polar quantum dots induced by the amorphous polar environment. Письма ЖЭТФ, 90 (10), 756 (2009).

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.