Energy Relaxation in Optically Excited Si and Ge Nanocrystals S

Energy Relaxation in Optically Excited Si and Ge Nanocrystals
S. Saeed
Energy relaxation in optically excited Si and Ge
nanocrystals
Samenvatting
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------In dit proefschrift wordt het PhD onderzoek getiteld “Energy relaxation in optically excited Si and Ge
nanocrystals” gepresenteerd. Dit onderzoek is uitgevoerd aan het Van der Waals - Zeeman Instituut
aan de Universiteit van Amsterdam. Door middel van optische spectroscopie zijn silicium en
germanium nanokristallen onderzocht om op die manier meer inzicht te krijgen in de mogelijke
relaxatieprocessen die geëxciteerde elektronen ondergaan in deze materialen. De belangrijkste doelen
hierbij zijn het ontwikkelen van nieuwe (halfgeleider) materialen en concepten waarmee o.a. het
rendement van zonnecellen aanmerkelijk verhoogd kan worden.
In het eerste hoofdstuk worden belangrijke eigenschappen van halfgeleiders samengevat, in het
bijzonder van silicium en germanium. Het zogenaamde “quantum confinement effect” speelt een
belangrijke rol en is daarom van belang voor nanokristallen en nanoclusters. Dergelijke
nanogestructureerde materialen bieden de mogelijkheid om bestaande technologieën in de
zonnecelindustrie en elektrische eigenschappen te verbeteren en zelfs te vernieuwen. Vervolgens
wordt er verder ingegaan op het ‘mysterie’ omtrent de emissie van germanium nanokristallen en
worden de belangrijkste eigenschapen van deze halfgeleider besproken. Ook nanokristallen die
gedoteerd zijn met zeldzame aardmetalen, in het bijzonder silicium nanokristallen in een
siliciumdioxide matrix die gedoteerd is met erbium ionen, wordt toegelicht. Daarna het ladingsdragervermenigvuldiging-effect in halfgeleiders besproken wordt, dat van belang is voor het verbeteren van
de efficiëntie van zonnecellen. Het eerste hoofdstuk wordt afgesloten met een beschrijving van de
opbouw van dit proefschrift.
Details met betrekking tot de gebruikte apparatuur en experimentele technieken worden besproken in
hoofdstuk 2. Verscheidene methoden om de onderzochte materialen te prepareren worden uitgelegd.
De detectiesystemen en excitatiebronnen waarmee een groot scala aan golflengten bereikt kan worden
- welke gebruikt worden voor optische spectroscopie - worden beschreven. Daarna worden de
technieken waarmee de (lineaire en geïnduceerde) absorptie wordt gemeten uitgelegd. Als laatste
wordt de methode toegelicht waarmee de kwantumefficiëntie van fotoluminescentie van de
onderzochte materialen is gemeten.
In het derde hoofdstuk wordt verder ingegaan op het effect van de temperatuur op de
fotoluminescentie onder invloed van het toevoegen van erbium ionen aan de siliciumdioxide matrix
waarin zich tevens silicium nanokristallen bevinden. Er wordt nadrukkelijk gefocust op de snelle 1.5
μm emissie die afkomstig is van erbium. Deze emissie is in eerdere onderzoeken waargenomen en
werd hiervoor gerelateerd aan defecten in de siliciumdioxide matrix. In dit onderzoek is echter
aangetoond, op basis van temperatuurafhankelijke en tijdgerelateerde fotoluminescentie metingen, dat
het overgrote deel van de snelle 1.5 μm emissie direct afkomstig is van erbium.
Hoofdstuk 4 bevat de beschrijving van het onderzoek dat verricht is aan de externe
kwantumefficiëntie van de gedoteerde siliciumdioxide matrix met erbium, waar zich ook silicium
nanokristallen bevinden. De kwantumefficiëntie van de emissie is constant voor lage excitaties welke
stapsgewijs toeneemt vanaf een bepaalde grenswaarde. Het toenemen van de kwantumefficiëntie
wordt toegeschreven aan de bijdrage aan emissie door hete elektronen van erbium ionen. Wanneer er
een elektron-gat paar in een silicum nanokristal aangeslagen wordt met een energie groter dan de
bandkloof, gaat een deel van de energie verloren als warmte. In dit geval kan juist deze energie één of
meerdere erbium ionen aanslaan, wat vervolgens tot 1.5 μm emissie kan leiden. De invloed van de
nanokristalgrootte en de hoeveelheid erbium ionen is onderzocht en wordt in detail besproken. De
mogelijkheden om meerdere erbium ionen aan te slaan en de daarbij behorende mogelijkheden tot het
verbeteren van zonnecellen worden toegelicht.
In hoofdstuk 5 wordt het ladingsdrager-vermenigvuldigings-effect in germanium nanokristallen
beschreven. Door middel van tijdgerelateerde geïnduceerde absorptiemetingen op een femtoseconde
tijdschaal wordt dit proces onderzocht. De procedure waarmee dit onderzoek is uitgevoerd wordt in
detail beschreven. Door toedoen van het ladingsdragers-vermenigvuldigings-effect is een toename van
90% in de efficiëntie waargenomen voor germanium nanokristallen, voor een energie gelijk aan 2.8
maal de bandkloofenergie. Er wordt geconcludeerd dat het ladingsdrager-vermenigvuldigings-effect
efficiënter is in germanium nanokristallen dan in bulk germanium.
Germanium nanokristallen die door middel van “plasma-enhanced chemical vapor deposition”
vervaardigd zijn en waarop structurele analyse is uitgevoerd, worden besproken in hoofdstuk 6. Er
wordt, gebaseerd op de onderzochte materiaaleigenschappen, gespeculeerd over de oorsprong van
individuele emissiebanden waarbij in het bijzonder emissie afkomstig van kleine germanium
nanokristallen wordt aangetoond die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van dergelijke banden.
Overige emissiebanden die mogelijk tot stand komen door defecten worden ook onderzocht en
toegelicht.
In hoofdstuk 7 en 8 worden de resultaten van nog lopende onderzoeken samengevat. In hoofdstuk 7
wordt er dieper ingegaan op tijdgerelateerde karakteristieken van hete ladingsdragers in germanium
nanokristallen die onderzocht zijn door middel van geïnduceerde absorptiemetingen. Deze ultrasnelle
metingen tonen interessante eigenschappen aan, met name een negatief geïnduceerd absorptiesignaal
op een picoseconde tijdschaal. Mogelijke mechanismen die verantwoordelijk zijn voor dergelijk
gedrag worden in acht genomen en de mogelijke aanwezigheid van aanvullende toestanden in de
bandkloof van germanium nanokristallen worden beschreven. Geïnduceerde absorptiemetingen zijn
ook verricht aan gedoteerd siliciumdioxide met erbium ionen waarin zich ook silicium nanokristallen
bevinden. Dit wordt beschreven in hoofdstuk 8. Ook hierbij is een negatief signaal van enkele
picoseconden waargenomen voor golflengten in het zichtbare gedeelte van het lichtspectrum.
Mogelijke verklaringen worden hiervoor gegeven. Desalniettemin is het van belang dat dit verder
onderzocht wordt.
Tenslotte worden er in hoofdstuk 9 suggesties gedaan voor vervolgonderzoek, gebaseerd op de hier
gepresenteerde resultaten.

Download Report