Interazione tra nanocristalli di silicio e ioni Er
Autore
Domenico Pacifici - Università degli Studi di Catania - [1999-00]
Documenti
Abstract
In questo lavoro di tesi è stata studiata l'interazione tra nanocristalli di silicio e ioni erbio immersi in una matrice di ossido di silicio.
Il silicio è un semiconduttore avente una banda energetica proibita di 1.1 eV, l'ossido di silicio è invece un materiale isolante con una banda Proibita di 8 eV.
I nanocristalli di silicio immersi in ossido di silicio si comportano come Buche di potenziale nelle quali è possibile osservare il confinamento dei portatori di carica (elettroni o lacune) all'interno di una regione di spazio a dimensionalità ridotta, un fenomeno squisitamente quantistico.
Infatti il confinamento dei portatori produce una quantizzazione dei livelli energetici sia in banda di conduzione sia in banda di valenza e l'energia necessaria a generare una coppia elettrone-lacuna cresce al diminuire delle dimensioni del sistema.
Pertanto, mentre il silicio cristallino mostra una banda di emissione nel vicino infrarosso, centrata attorno a 1.1 eV, i nanocristalli di silicio hanno uno spettro spostato verso energie maggiori e che può essere variato nell'intera regione del visibile (400-700 nm), semplicemente variandone le dimensioni.
Un altro effetto del confinamento quantico è il drastico aumento nella Probabilità di ricombinazione radiativa dell'eccitone. Infatti per la regola d'oro di Fermi tale probabilità è direttamente proporzionale al prodotto tra la densità degli stati finali e il modulo quadro dell'elemento di matrice dell'operatore momento di dipolo, preso tra gli stati iniziale e finale.
A causa della maggiore sovrapposizione spaziale delle funzioni d'onda dell'elettrone e della lacuna in seguito al confinamento, il modulo quadro dell'elemento di matrice dell'operatore momento di dipolo aumenta.
L'efficienza quantica per l'emissione di fotoni da parte di un nanocristallo Di silicio può essere ordini di grandezza maggiore di quella del silicio cristallino, il quale, come è noto, è un emettitore di luce poco efficiente a causa della sua banda proibita di tipo indiretto, che impone la Presenza di un fonone che assista la transizione radiativa, al fine di rispettare la conservazione del momento cristallino. Inoltre, all'interno di una matrice di ossido di silicio si ottiene un'ottima passivazione dei legami superficiali del nanocristallo di silicio e pertanto si riducono i processi di ricombinazione non radiativa che sono deleteri per l'efficienza del sistema.
L'erbio ha una struttura elettronica costituita da un core di [Xe] e da orbitali esterni 4f(11)5d(1)6s(2). La shell 4f risulta pertanto protetta dall'intorno cristallino in cui l'erbio stesso si trova immerso.
Quindi le transizioni ottiche dell'erbio hanno tutte le caratteristiche delle transizioni atomiche. In generale l'erbio tende ad assumere uno stato di carica 3+ all'interno della matrice che lo ospita, rimanendo con 11 elettroni nella shell 4f. I livelli energetici, che si ricavano nell'approssimazione di Russel-Saunders, hanno tutti la stessa parità. Pertanto nello ione isolato le transizioni radiative tra questi livelli sono proibite dalla regola di selezione dell'operatore di dipolo elettrico. Tuttavia la presenza di un campo cristallino produce, per effetto Stark, un parziale mescolamento degli stati, rendendo così possibili le Transizioni tra i vari livelli.
Di particolare interesse è la transizione tra il primo livello eccitato 4I13/2 e quello fondamentale 4I15/2, che da' luogo all'emissione di un fotone con lunghezza d'onda di 1.54 /mu m, per la quale le fibre ottiche hanno un assorbimento minimo.
L'intensità di fotoluminescenza dovuta all'erbio in presenza dei nanocristalli è circa due ordini di grandezza maggiore rispetto a quella dovuta all'erbio in ossido di silicio, a parità di concentrazione di erbio e di potenza d'eccitazione. Ciò significa che i nanocristalli giocano un ruolo importante nel processo d'eccitazione dell'erbio.
Ed infatti per l'erbio in ossido di silicio, l'andamento dell'intensità della riga a 1.54 /mu m in funzione della lunghezza d'onda d'eccitazione mostra dei massimi in corrispondenza delle energie dei livelli dello ione erbio, mentre per l'erbio in presenza dei nanocristalli di silicio tale intensità ha un andamento monotono crescente al diminuire della lunghezza d'onda d'eccitazione, del tutto analogo a quello del segnale centrato attorno a 0.85 /mu m dovuto ai soli nanocristalli. Ciò dimostra che il processo d'eccitazione degli ioni erbio in presenza dei nanocristalli è mediato da essi. Inoltre si nota che la sezione d'urto per ’eccitazione dell'erbio attraverso i nanocristalli è vari ordini di grandezza maggiore rispetto a quella per assorbimento diretto di un fotone.
Nelle conclusioni verrà proposta una possibile applicazione del sistema studiato nel campo degli amplificatori ottici.
Il silicio è un semiconduttore avente una banda energetica proibita di 1.1 eV, l'ossido di silicio è invece un materiale isolante con una banda Proibita di 8 eV.
I nanocristalli di silicio immersi in ossido di silicio si comportano come Buche di potenziale nelle quali è possibile osservare il confinamento dei portatori di carica (elettroni o lacune) all'interno di una regione di spazio a dimensionalità ridotta, un fenomeno squisitamente quantistico.
Infatti il confinamento dei portatori produce una quantizzazione dei livelli energetici sia in banda di conduzione sia in banda di valenza e l'energia necessaria a generare una coppia elettrone-lacuna cresce al diminuire delle dimensioni del sistema.
Pertanto, mentre il silicio cristallino mostra una banda di emissione nel vicino infrarosso, centrata attorno a 1.1 eV, i nanocristalli di silicio hanno uno spettro spostato verso energie maggiori e che può essere variato nell'intera regione del visibile (400-700 nm), semplicemente variandone le dimensioni.
Un altro effetto del confinamento quantico è il drastico aumento nella Probabilità di ricombinazione radiativa dell'eccitone. Infatti per la regola d'oro di Fermi tale probabilità è direttamente proporzionale al prodotto tra la densità degli stati finali e il modulo quadro dell'elemento di matrice dell'operatore momento di dipolo, preso tra gli stati iniziale e finale.
A causa della maggiore sovrapposizione spaziale delle funzioni d'onda dell'elettrone e della lacuna in seguito al confinamento, il modulo quadro dell'elemento di matrice dell'operatore momento di dipolo aumenta.
L'efficienza quantica per l'emissione di fotoni da parte di un nanocristallo Di silicio può essere ordini di grandezza maggiore di quella del silicio cristallino, il quale, come è noto, è un emettitore di luce poco efficiente a causa della sua banda proibita di tipo indiretto, che impone la Presenza di un fonone che assista la transizione radiativa, al fine di rispettare la conservazione del momento cristallino. Inoltre, all'interno di una matrice di ossido di silicio si ottiene un'ottima passivazione dei legami superficiali del nanocristallo di silicio e pertanto si riducono i processi di ricombinazione non radiativa che sono deleteri per l'efficienza del sistema.
L'erbio ha una struttura elettronica costituita da un core di [Xe] e da orbitali esterni 4f(11)5d(1)6s(2). La shell 4f risulta pertanto protetta dall'intorno cristallino in cui l'erbio stesso si trova immerso.
Quindi le transizioni ottiche dell'erbio hanno tutte le caratteristiche delle transizioni atomiche. In generale l'erbio tende ad assumere uno stato di carica 3+ all'interno della matrice che lo ospita, rimanendo con 11 elettroni nella shell 4f. I livelli energetici, che si ricavano nell'approssimazione di Russel-Saunders, hanno tutti la stessa parità. Pertanto nello ione isolato le transizioni radiative tra questi livelli sono proibite dalla regola di selezione dell'operatore di dipolo elettrico. Tuttavia la presenza di un campo cristallino produce, per effetto Stark, un parziale mescolamento degli stati, rendendo così possibili le Transizioni tra i vari livelli.
Di particolare interesse è la transizione tra il primo livello eccitato 4I13/2 e quello fondamentale 4I15/2, che da' luogo all'emissione di un fotone con lunghezza d'onda di 1.54 /mu m, per la quale le fibre ottiche hanno un assorbimento minimo.
L'intensità di fotoluminescenza dovuta all'erbio in presenza dei nanocristalli è circa due ordini di grandezza maggiore rispetto a quella dovuta all'erbio in ossido di silicio, a parità di concentrazione di erbio e di potenza d'eccitazione. Ciò significa che i nanocristalli giocano un ruolo importante nel processo d'eccitazione dell'erbio.
Ed infatti per l'erbio in ossido di silicio, l'andamento dell'intensità della riga a 1.54 /mu m in funzione della lunghezza d'onda d'eccitazione mostra dei massimi in corrispondenza delle energie dei livelli dello ione erbio, mentre per l'erbio in presenza dei nanocristalli di silicio tale intensità ha un andamento monotono crescente al diminuire della lunghezza d'onda d'eccitazione, del tutto analogo a quello del segnale centrato attorno a 0.85 /mu m dovuto ai soli nanocristalli. Ciò dimostra che il processo d'eccitazione degli ioni erbio in presenza dei nanocristalli è mediato da essi. Inoltre si nota che la sezione d'urto per ’eccitazione dell'erbio attraverso i nanocristalli è vari ordini di grandezza maggiore rispetto a quella per assorbimento diretto di un fotone.
Nelle conclusioni verrà proposta una possibile applicazione del sistema studiato nel campo degli amplificatori ottici.
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