Silicon nanocrystals, photonic structures and optical gain

Abstract

Křemíkové nanokrystaly (SiNCs) menší než cca 5 nm jsou materiálem s účinnou foto- luminiscencí (PL) za pokojové teploty, která vykazuje i optický zisk. Optický zisk je nutná podmínka k dosažení stimulované emise z vybuzeného materiálu a právě dosažení stimulované emise (a laserování) z nanostruktur na bázi Si je důležité z pohledu křemíkové fotoniky. Cílem této práce bylo (i) studovat fundamentální optické vlastnosti SiNCs, (ii) navrhnout a připravit fotonický krystal se zvýšenou extrakcí světla a (iii) prostudovat možnost zvýšení optického zisku SiNCs jejich zabudováním do dvoudimenzionálního fotonického krystalu. Nejdříve byly pomocí elektrochemického leptání Si desky připraveny oxidem (SiOx/SiO2) pasivované SiNCs. Jejich optické vlastnosti byly prostudovány použitím časově rozlišené spektroskopie, a to i za nízkých teplot. Rychlý modrozelený emisní pás SiNCs byl interpretován jako kvazipřímá rekombinace horkých elektronů s dírami v blízkosti bodu Γ. Dále bylo ukázáno, že spektrální posuv pomalého oranžověčerveného pásu SiNCs s teplotou je důsledkem souhry tlakové a teplotní změny zakázaného pásu objemového Si. Koeficient optického zisku byl měřen metodou "Proužku s proměnnou délkou"...

Silicon nanocrystals (SiNCs) of sizes below approximately 5 nm are a material with an efficient room-temperature photoluminescence (PL) and optical gain. Optical gain is a pre- requisite for obtaining stimulated emission from a pumped material, and the achievement of stimulated emission (and lasing) from Si-based nanostructures is of particular interest of the field of silicon photonics. The aim of this work was (i) to investigate fundamental optical properties of SiNCs, (ii) to design and prepare a photonic crystal with enhanced light ex- traction efficiency and (iii) to explore a possibility of enhancing optical gain of light-emitting SiNCs by combining them with a two-dimensional photonic crystal. First, free-standing oxide (SiOx/SiO2)-passivated SiNCs were prepared by electrochemical etching of a Si wafer. Their optical properties were studied by employing time-resolved spectroscopy, also at cryogenic temperatures. The fast blue-green emission band of these SiNCs was linked with the quasi- direct recombination of hot electrons and holes in the vicinity of the Γ-point. Furthermore, the spectral shift of the slow orange-red band (of these SiNCs) as a function of temperature was explained on the basis of an interplay between tensile strain and bulk Si temperature-induced indirect bandgap shift. The...