ИСТИНА

Интерес к изучению легированных эрбием наноструктур на основе кремния объясняется их высоким выходом люминесценции на длине волны 1.54 мкм (излучательный переход 4I13/2→4I15/2 во внутренней 4f оболочке ионов Er3+), соответствующей максимуму пропускания стандартных оптоволоконных линий связи. Это, в свою очередь, говорит о перспективности подобного материала для возможных применений в оптоэлектронике с целью увеличения скорости передачи данных путем замены электрических соединений оптическими. В результате недавних исследований было обнаружено, что, наряду с кремниевыми нанокристаллами (c-Si-NCs), не менее эффективными сенсибилизаторами люминесценции ионов эрбия могут также выступать аморфные нанокластеры кремния (a-Si-NCs), обеспечивая при определенных условиях еще более высокую интенсивность люминесценции на длине волны 1.54 мкм [1]. Этот факт поднимает вопрос о механизмах возбуждения ионов эрбия в подобного рода структурах и о роли кремниевых нанокристаллов в данном процессе. Действительно, как было показано ранее, в структрах с кремниевыми нанокристаллами зафиксировано два процесса передачи энергии к ионам эрбия, причем «медленный» процесс, связанный именно с нанокристаллами Si, не является доминирующим по сравнению с некоторым «быстрым» процессом, схожим по своим свойствам с передачей энергии к ионам Er3+ в объемном кремнии [2]. Настоящая работа направлена на изучение влияния морфологии кремниевых нанокластеров на процессы возбуждения и девозбуждения ионов Er3+. Для этого в одинаковых условиях были изготовлены две серии легированных эрбием (доза имплантации изменялась от 1•1014 до 7•1015 см-2) образцов – c-Si-NC:Er и a-Si-NC:Er, в первой из которых кремниевые нанокластеры были кристаллизованы путем высокотемпературного отжига, а во второй – оставлены в аморфном состоянии. Были измерены спектры фотолюминесценции (ФЛ) в видимой (соответствующей излучению нанокластеров кремния) и ближней ИК (соответствующей излучению ионов эрбия) областях спектра. Для структур с кремниевыми нанокристаллами было обнаружено существенное (~ 10 раз) падение интенсивности ФЛ в видимой области при внедрении ионов Er3+ по сравнению с нелегированными образцами, а также возникновение яркой люминесценции в районе 1.54 мкм, что хорошо согласуется с известными из литературы данными и объясняется перекачкой энергии от нанокристаллов к эрбию. С другой стороны, для образцов с аморфными нанокластерами Si подобное падение люминесценции в видимой области спектра было менее заметным (~ 2 раза), равно как и сама люминесценция аморфных нанокластеров Si была примерно на 2 порядка более слабой по сравнению с c-Si-NC структурами. Но, то же время, интенсивность ФЛ ионов Er3+ в образцах a-Si-NC:Er была практически идентична соответствующей интенсивности для образцов c-Si-NC:Er. Этот факт ставит под сомнение однозначную интерпретацию падения интенсивности ФЛ в видимой области как следствие разгорания люминесценции ионов Er3+, общепринятую на данный момент, поскольку процесс возбуждения ионов эрбия может происходить за счет конкуренции с безызлучательным каналами релаксации энергии, что, по-видимому, и происходит в структурах с аморфным нанокластерами кремния. В подтверждение данной гипотезы говорят результаты спектроскопии возбуждения ФЛ, согласно которым каких-либо различий для образцов c-Si-NC:Er и a-Si-NC:Er в спектрах зафиксировано не было. Наконец, существенного влияния на интенсивность ФЛ ионов эрбия не оказала и пассивация дефектов в кремниевых нанокристаллах [3], в то время как интенсивность люминесценции самих c-Si-NC заметно возросла. Все полученные факты позволяют утверждать, что само наличие кремниевых нанокристаллов не является необходимым условием для эффективного возбуждения люминесценции эрбия. 1. G. Franzo, S. Boninelli, D. Pacifici, et al., Appl. Phys. Lett. 82, 3871 (2003). 2. M. Fujii, K. Imakita, K. Watanabe, et al., J. Appl. Phys. 95, 272 (2004). 3. S. Godefroo, M. Hayne, M. Jivanescu, et al., Nature Nanotech. 3, 174 (2008).