Курсовая теория на тему Фотолюминесценция в кремнии(+презентация)

Содержание:

Введение 3
1. Технологии фотолюминесценции в физике полупроводников и диэлектриков 5
1.1. Основы явления фотолюминесценции 5
1.2. Зонная структура и оптические переходы в кремнии 10
2. Применение фотолюминесценции при работе с кремнием 15
2.1. Фотолюминесцентные свойства кремния 15
2.2. Методика фотолюминесцентного получения нанопорошков кремния 27
Заключение 34
Список использованной литературы 36

Введение:

Введение
Люминесценция — это одно из самых красивых явлений в природе. Оно относится к тем явлениям, которые человечество наблюдает уже очень много лет, хотя объяснять научилось совсем недавно. К люминесценции относится северное сияние и множество прочих явлений, которые человечество наблюдает практически все время своего существования. Люминесценция представляет собой свет, который выделяется за счет энергии, выделяемой во время перехода соединения из возбужденного состояния в основное. Значит, у нас есть соединение, оно может быть органическим или неорганическим, состояние с наименьшей энергией — это основное состояние. Если мы каким-то образом переводим соединение в возбужденное состояние, то есть обладающее большей энергией, то дальше оно может вернуться в основное состояние любым доступным ему способом, но в том числе выделяя энергию, которая расходуется на образование фотонов, квантов света. Если это счастливое событие происходит, то мы говорим о люминесценции.
Существует большое количество неорганических соединений, обладающих люминесценцией. Это полупроводниковые соединения, поскольку для люминесценции, для перехода из возбужденного состояния в основное, нам нужно, чтобы был зазор между этими состояниями. Одним из таких соединений является кремниевая основа.
Целью данной работы является изучение процессов фотолюминесценции в кремнии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
• Рассмотреть сущность технологии фотолюминесценции в физике полупроводников и диэлектриков,
• Раскрыть фотолюминесцентные свойства кремния,
• Изучить методику фотолюминесцентного получения нанопорошков кремния.

Заключение:

Исходя из рассмотренного в работе материала, можно сделать вывод о том, что фотолюминесценция представляет собой свечение, возбуждаемое в среде светом разной длиной волны.
Уникальные физико-химические свойства наноструктурированного кремния, открытые на протяжении последних 15-ти лет, представляют огромный научно-технический интерес, в особенности для новых применений этого вида наноматериалов в самых различных областях. В частности, пористый кремний (ПК), получаемый электрохимическим травлением широко доступного монокристаллического кремния, являет собой чрезвычайно перспективный вид кремниевых наноструктрур с целым рядом оригинальных свойств. Наиболее перспективным на сегодняшний день методом получения кремния является именно рассмотренный в работе метод фотолюминесценции.
Метод люминесценции, широко применяемый в физике полупроводников, состоит в том, что регистрируется излучение исследуемого материала, обусловленное рекомбинацией возбужденных носителей заряда. Для возбуждения фотолюминесценции полупроводник освещают интенсивным источником света, к примеру лазером.
В кремнии фотолюминесценция наблюдается лишь в инфракрасном диапазоне, причем ее эффективность весьма низка: поглотив миллион фотонов возбуждающего излучения, объемный кремний испускает лишь один. Зарегистрировать такой сигнал можно, подавив все конкурирующие процессы рекомбинации возбужденных электронов и дырок, к примеру, охладив кремний до температуры жидкого азота и ниже. А спектр фотолюминесценции пористого кремния — это широкая (примерно 200 нм) полоса в видимом диапазоне, наблюдаемая даже при комнатной температуре.
Фотолюминесценция в видимой области спектра появляется только в тех образцах пористого кремния, для которых размеры пор и кремниевых нанокристаллов не превышают нескольких нанометров. С уменьшением размеров нанокристаллов происходит сдвиг полосы фотолюминесценции в коротковолновую сторону и увеличение интенсивности свечения. Одновременно в сторону меньших длин волн сдвигается и край поглощения пористого кремния. Это следствие квантово-размерного эффекта — из-за ограниченного размера наночастицы энергия электронов и дырок квантуется, поэтому увеличивается ширина запрещенной зоны в полупроводниковом нанокристалле. Можно говорить о том, что широкий спектр фотолюминесценции вызван распределением наночастиц по диаметру.

Фрагмент текста работы:

1. Технологии фотолюминесценции в физике полупроводников и диэлектриков
1.1. Основы явления фотолюминесценции
Люминесценция классифицируется по способам возбуждения, то есть по способам перевода материала в возбужденное состояние. Это может быть фотолюминесценция, происходящая при поглощении света, электролюминесценция при протекании электрического тока, может быть хемилюминесценция, происходящая под действием химических реакций, и другие .
Фотолюминесценция наиболее проста в изучении и имеет очень большое число применений. Самое простое из них мы можем легко пронаблюдать в быту — это маркировка ценных бумаг. Самой ценной бумагой, доступной нам, являются деньги. Существует множество способов их защиты. Один из них — нанесение на деньги люминесцентных меток. Например, валюта евро маркируется с помощью соединения европия, это очень характерно.
Если поместить евро под ультрафиолетовую лампу, можно увидеть характерные люминесцирующие звездочки. Люминесцируют они красным цветом и зеленым. Красным люминесцируют соединения европия в степени окисления 3+, а зеленым — в степени окисления 2+. И различный цвет связан с тем, что в случае европия 3+ мы наблюдаем люминесценцию за счет переходов внутри f-оболочки иона европия. А когда европий в степени окисления 2+, у него есть один d-электрон, и поэтому в этом случае может происходить так называемая d-f-люминесценция, лежащая уже в другой области спектра. Интересно, что для защиты денег используется не только обычная фотолюминесценция, то есть поглощение ультрафиолетового излучения и выделение видимого света, но и так называемая ап-конверсионная люминесценция, при которой энергия поглощаемых квантов света ниже, чем энергия выделяемых. Никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет: чтобы излучить один квант большей энергии, вещество облучается целым потоком квантов с меньшей энергией, поэтому суммарная энергия падающего излучения существенно больше, чем энергия выделяющегося. Но само явление, названное антистоксовой люминесценцией в противовес классической стоксовой люминесценции, довольно интересно и находит все большее применение. Основано оно на том, что одно и то же соединение может поглотить несколько квантов возбуждающего излучения, постепенно поднимаясь все выше по энергии.
Рассмотрим соединения эрбия. Это не самые эффективные ап-конверторы, но наиболее простые для объяснения. Эрбий — редкоземельный элемент. Он имеет несколько возбужденных состояний, довольно часто по энергии расположенных, и f-f переходы запрещены, поэтому он имеет довольно большое время жизни в возбужденном состоянии. Если эрбий облучать инфракрасным излучением, с длиной волны 1 микрон, тысяча нанометров, это соответствует энергии 10 тыс. обратных сантиметров.
Мы облучаем эрбий длиной волны 1 000 нанометров. Он возбуждается в возбужденное состояние энергией 10 тысяч обратных сантиметров. Если он проводит в этом возбужденном состоянии достаточно большое время — что достигается за счет того, что переходы запрещены, — этот же ион эрбия может поглотить еще один квант света и подняться еще на 10 тысяч обратных сантиметров. Таким образом, он оказывается в возбужденном состоянии энергии 20 тысяч обратных сантиметров и способен вернуться из него, излучив квант света с длиной волны 500 нанометров — это зеленое излучение. То есть облучаем соединение инфракрасным светом, а получаем зеленую люминесценцию. Если мы возьмем купюру в тысячу рублей, а на вторую купюру в тысячу рублей мы купим инфракрасный лазер с длиной волны 980 нанометров, то, поводив им по купюре, мы можем увидеть зеленую люминесценцию . Эта степень защиты используется в наших родных рублях. Но люминесцентные метки используют не только для маркировки ценных бумаг. Очень важной областью является аналитика, то есть определение различных соединений в растворах, в том числе в газовой фазе. Например, таким образом можно определить наличие вредных газов, зарина или зомана по изменению длины волны или интенсивности люминесценции люминофора.
Еще одним аналитическим способом применения фотолюминесцентных материалов является медицинская диагностика. Анализ может происходить in vivo или in vitro. Люминесцентный материал вводится в организм, и по тому, где происходит люминесценция, можно проводить детектирование . Например, при удалении опухоли ее могут окрасить как раз люминесцентным красителем. По наличию люминесценции можно отследить, вся ли опухоль удалена и, главное, что не удалено ничего лишнего. И развитие у этой области, конечно, громадно. Например, можно проводить так называемую таргетированную диагностику, и это сейчас уже широко развивается. Если люминофор связать с антителом, то он будет адресно доставляться именно туда, куда привяжется антитело. Использовать в качестве люминофора здесь можно и способные к люминесценции белки, и химически связывая белок с люминофором.
В люминесцентной биовизуализации важно, что люминофор должен обладать большим временем жизни возбужденного состояния. Можно использовать и органические красители, и люминесцирующие белки, но недостатком их кроме чрезвычайно высокой цены и низкой стабильности является также то, что их люминесценция быстрая — флуоресценция. Это разрешенный процесс, он имеет характерную длительность несколько наносекунд. Проблема в том, что их очень тяжело детектировать на фоне так