稀土掺杂氧化硅薄膜下转换发光性质的研究.pdf

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1、稀土掺杂氧化硅薄膜下转换发光性质的研究李晋桃2015年1月中图分类号：O484.4+1UDC分类号：543.4稀土掺杂氧化硅薄膜下转换发光性质的研究作者姓名李晋桃学院名称物理学院指导教师衡成林答辩委员会主席邹炳锁教授申请学位理学硕士学科专业物理学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月Down-conversionLuminescencePropertiesofRareEarthsDopedSiliconOxideThinFilmsCandidateName：JintaoLiSchoolorDepartment:SchoolofPhysicsFacultyMentor:Chengl

2、inHengChair,ThesisCommittee：Prof.BingsuoZouDegreeApplied:MasterofPhysicsMajor：PhysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任

3、何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要近年来，利用稀土离子和镱离子(Yb3+)间的下转换发光调制太阳光谱，引起了人们广泛的兴趣。通过Yb3+980nm的光激发，可增强晶体硅的带间跃迁，进而改善硅基太阳能电池的光电转换效率。本文主要研究了稀土铈离子（Ce3+）和Yb3+间的下转换发光性质。我们采用磁控共溅射技术分别制备了稀土铈（Ce）和镱（Yb）共掺杂“富硅”和“富氧”氧化硅（SiOx:Ce,Yb）薄膜，并对薄膜样品进行了不同温度的退火处理。采用卢瑟福背散射（RBS）、X射线衍射(XRD）和透射电镜（TEM），对薄膜的组分和结构进

4、行了表征；通过光致发光（PL）光谱、激发（PLE）光谱和衰变（PLdecay）光谱，研究了薄膜的下转换发光特点，并对其中的能量传递机制进行了讨论。我们还制备了Yb重掺杂氧化硅（SiOx:Yb）薄膜，并研究了其下转换发光性质。我们发现对于SiOx:Ce,Yb样品，如果共掺杂基底是富氧氧化硅，高温（>1000℃）退火后，薄膜发生了晶化，形成Ce、Yb的硅酸盐结晶相；如果基底是富硅氧化硅，高温退火后主要生成晶化的CeO2结构，但不排除有三价Ce的硅酸盐结构生成。在325nm激光的激发下，随着退火温度的升高，薄膜中Ce3+和Yb3+的PL强度有不同程度的增强，可能与其中生成的Ce3+和Yb3+的硅酸

5、盐结构有关。PLE谱和PLdecay谱，证明SiOx:Ce,Yb薄膜中发生了Ce3+→Yb3+的下转换能量传递。理论上，所制备的SiOx:Ce,Yb薄膜最高的非辐射共合作能量下转换量子效率可达到151.0%。对于SiOx:Yb薄膜，高温退火后Yb在氧化硅基底中生成了不同的硅酸盐相，具有不同的发光效率，这可能与Si的浓度有很大关系。从PL和PLE光谱结果可知，薄膜中可能发生了瞬态的Yb2+→Yb3+和氧化硅薄膜中缺陷→Yb3+的下转换能量传递过程。二次退火对SiOx:Yb薄膜的发光性质有很大的影响。综上所述，SiOx:Ce,Yb薄膜可以作为潜在的下转换发光层材料，用于提高硅基太阳能电池的光电转

6、换效率；而对SiOx:Yb薄膜中，利用下转换能量传递，增强Yb发光的研究，在近红外光纤激光器等方面可能有潜在应用。关键词：稀土离子；下转换；能量传递；磁控溅射；氧化硅；发光性质I北京理工大学硕士学位论文AbstractRecently,quantumcuttingsolarspectrumbyusingrareearth(RE)ioncoupleshasattractedgreatinterest,forthedown-conversion(DC)betweenREn+andytterbiumion(Yb3+)canbeusedtoenhancetheopticaltransitionofc

7、rystalSi,thustoimprovethephotovoltaicconversionefficiencyofSi-basedsolarcells.Inthispaper,wehavestudiedtheDCluminescentpropertiesofcerium(Ce)andYbco-dopedsiliconoxide(SiOx:Ce,Yb)andYbheavily-dopedsiliconoxi