Photoluminescence of silicon nanoclusters with reduced size dispersion produced by laser ablation

Abstract

We report a photoluminescence study of silicon nanoclusters produced by laser ablation. It was found that by varying the preparation parameters it was possible to change the mean cluster size in the range 1–5 nm. Within this size variation, the photoluminescence band shifts in a wide spectral region from near ultraviolet to near infrared. This size-dependent photoluminescence of Si nanoclusters is consistent with a quantum confinement effect. The observed influence of cluster oxidation on the luminescence properties also supports the quantum confinement interpretation. We proposed a discrete size model which supposes that the spectral position of the luminescence band is essentially determined by the volume of clusters with a complete outer atomic layer. In the framework of this model, we were able to deconvolute the observed luminescence bands into a set of fixed Gaussian bands. The model is supported by the observation of a size selective doping of Si nanoclusters whose effect was well explained by Auger recombination. Finally, our model allowed us to obtain a dependence of the optical gap on the cluster size which is in good agreement with existing calculations of Si nanocrystal electronic structure.

Structural properties of Ge nanostructured films synthesized by laser ablation

“…Nanostructured semiconductor films (including, e.g. Si nanostructures with remarkable photoluminescence properties) can be grown with this approach [5][6][7][8][9][10]. However, the structural properties of such nanostructures are still poorly characterized.…”

Interaction des photons UV avec le silicium massif et nanocristallin

“…Comme on l'a montré par ailleurs [10], cela se traduit par l'existence d'un régime de fluences laser pour lequel la température de la surface irradiée est stabilisée. Ces conditions sont favorables à la condensation de nano-agrégats de taille mieux contrôlée avec une dispersion réduite [1,10].…”

“…Parmi les nombreuses applications des lasers UV, leur utilisation dans le cadre de l'ablation laser a permis d'obtenir de très bons résultats concernant la préparation de nano-agrégats de Si [1]. La maîtrise des paramètres assurant le contrôle essentiel de la taille des nano-agrégats passe nécessairement par l'étude des espèces produites lors de l'irradiation de la cible de silicium massif.…”

“…La forte dispersion des résultats publiés sur le sujet [2][3][4][5][6] montre la nécessité de poursuivre une telle étude. D'autre part, nous observons que les agrégats condensés dans la plume laser reviennent majoritairement se déposer sur la cible [1]. L'interaction entre photons UV et nano-agrégats déposés sur la zone irradiée intervient donc également au cours de la préparation des nano-agrégats.…”

Ablation de ZnO par laser UV (193 nm) : nano-agrégats en phase gazeuse

“…Le contrôle de la composition, de la structure et des tailles des nano-agrégats est nécessaire pour le développement de lasers et de dispositifs optoélectroniques. L'ablation laser en présence d'un gaz de couverture est une méthode très efficace de dépôt de films minces de différents matériaux nanostructurés [2,3]. Les films de ZnO préparés par cette méthode montrent une excellente qualité optique [4].…”