[发明专利]一种碱土金属离子掺杂提高红外光发射的硅基SnO2

说明书

一种碱土金属离子掺杂提高红外光发射的硅基SnO₂:Er³⁺复合薄膜及制备方法，所述的碱土金属离子包括镁Mg²⁺、钙Ca²⁺、锶Sr²⁺和钡Ba²⁺；硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜，其结构为SnO₂:Er³⁺纳米晶镶嵌的非晶SiO₂薄膜；相对于Si元素Sn⁴⁺的掺杂浓度范围为5‑50mol％，Er³⁺离子的浓度为3‑10mol％，碱土金属掺杂浓度为0.01‑25mol％。通过碱土金属离子掺杂提高硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜红外光发射的强度。采用碱土金属氯酸盐作为掺杂剂，通过匀胶技术结合后退火处理制备碱土金属离子掺杂硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜。

技术领域

本发明涉及提高硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜红外光发射的方法，具体涉及到采用碱土金属离子掺杂结合匀胶技术和后退火工艺来制备硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜的方法，尤其涉及到提高Er³⁺离子红外光(1530nm)波段发射的方法。

背景技术

Er³⁺离子第一激发态⁴I_13/2能级到基态⁴I_15/2能级的跃迁对应于1530nm波段的近红外光发射，其正好落在石英光波导纤维最小损耗窗口范围之内。因此具有近红外光发射的Er³⁺掺杂硅基宽带隙半导体材料备受科研工作者的关注。Er³⁺掺杂氧化硅薄膜具有硅基兼容的特点，其有可能用于制备近红外LED光源而应用于硅基单片光互联。由于Er³⁺的光吸收截面很小，人们在Er³⁺掺杂氧化硅薄膜中引入金属氧化物半导体纳米晶，通过纳米晶到Er³⁺离子有效的共振能量传递实现Er³⁺离子近红外光的增强。目前，宽禁带氧化物半导体In₂O₃，ZnO和SnO₂等纳米晶作为能量共振传递的施主已经有了一定研究。特别是SnO₂纳米晶，可以通过调节SnO₂纳米晶的尺寸实现SnO₂纳米晶到稀土离子高效的共振能量传递。相较于SiO₂:Er³⁺薄膜，SiO₂/SnO₂:Er³⁺薄膜的稀土发光强度具有3 个数量级的提高。

为了进一步提高硅基SnO₂:Er³⁺薄膜Er³⁺离子红外光发射，我们选择采用碱土金属离子(Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺和Ba²⁺等，包含这些但不限于这些)掺杂的方式。碱土金属离子掺杂可以有效的调节SnO₂的晶体结构、光学带隙和光电性能，以及可以调控SnO₂纳米晶中氧空位缺陷的数量等。我们采用湿化学方法结合匀胶技术和后退火处理制备碱土金属离子(Ba²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺和Ca²⁺)掺杂硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜。在325nm激光的激发下，发现复合结构薄膜Er³⁺离子的红外光发射强度得到了大幅度的提高。碱土金属离子掺杂硅基SnO₂:Er³⁺复合结构薄膜红外光发射强度的提高有望在硅基光电互联领域的应用中提供技术支持。

发明内容