[发明专利]一种长发光寿命硅酸铒及其制备方法

说明书

本发明公开了一种长发光寿命硅酸铒的制备方法，包括步骤：将有机铒化合物溶解于流动性硅烷树脂中，所得溶胶旋涂于单晶硅片表面，待溶剂挥发完毕，经900～1300℃热处理得到所述的长发光寿命硅酸铒。本发明还公开了所述的制备方法制备得到的长发光寿命硅酸铒，包裹于非晶氧化硅基质中，形貌为纳米线状，晶相为α‑Er₂Si₂O₇，发光寿命为400～850μs。本发明仅需要简单设备，不需要长时间水解过程，操作简便，成本低廉。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，具体涉及一种长发光寿命硅酸铒及其制备方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的迅速发展，采用硅基光电集成代替现有的硅基集成电路成为一个重要发展方向，硅基光电集成中的高效硅基光源和光放大器亟待解决。

稀土离子铒(Er³⁺)的1.5μm发光恰好对应于石英通信光纤的最低损耗波长，因此硅基铒发光受到了广泛了关注，有望在硅基光电子、纳米光子学、上转换发光、荧光粉等领域取得重大应用。

近30年来，掺铒光纤放大器和激光器在远距离光通信中获得了巨大的成功。然而在硅基光电集成领域，已经成熟应用的掺铒材料无法达到需要的发光强度和光增益。这主要是掺铒材料中发光中心Er³⁺的浓度不够高，但继续增加Er³⁺浓度超过10²⁰cm^-3后，受到固溶度的限制Er³⁺会发生严重的偏析和团聚，引入很多缺陷并且富Er团簇中的Er-Er相互作用十分强烈，这样会产生明显的浓度猝灭。

以硅酸铒为代表的铒化合物中Er并不是掺杂离子而是作为组成元素，Er³⁺浓度可以达到10²²cm^-3，而且在晶格中周期排列避免了Er³⁺之间的团聚和偏析。

宁存政小组采用化学气相沉积法(CVD)生长出了单晶的高质量硅氯酸铒纳米线，发现硅氯酸铒纳米线的寿命最高可以达到540μs，并且在硅氯酸铒纳米线中测试得到了超过100dB cm^-1的净增益(Sun H,Yin L,Liu Z,et al.Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire[J].Nature Photonics,2017,11(9):589–593.)。他们发现硅基铒材料的Er³⁺发光寿命和浓度的乘积(LDP)是一个衡量在1.5μm处光放大能力的重要指标，LDP值越大，则在相同的泵浦条件下光增益越大且发光效率越高。而在硅酸铒这样的铒化合物中浓度是固定不变的，所以提高LDP主要通过提高Er³⁺发光寿命实现。

目前已经采用磁控溅射、电子束蒸发、溶胶凝胶法等方法制备出了硅酸铒薄膜，但是这些方法制备的硅酸铒寿命大多在数十个微秒，这主要是制备的硅酸铒本身晶体质量不够高，缺陷密度较高；此外不可忽视的是Er³⁺浓度很高，Er-Er能量传递变严重，致使激发能可以在晶体中长距离迁移，更加容易遇到缺陷猝灭，这也是硅酸铒等铒化合物发光寿命远小于掺铒材料的原因。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，以及现有技术制备的硅酸铒发光寿命较短不能满足实际硅基光电集成应用的问题，本发明提供了一种长发光寿命硅酸铒的制备方法，寿命可以达到844μs，且制备方法简单、不用复杂真空设备、成本低廉，可应用于硅基光电集成和纳米光子学等领域。

一种长发光寿命硅酸铒的制备方法，包括步骤：将有机铒化合物溶解于流动性硅烷树脂中，所得溶胶旋涂于单晶硅片表面，待溶剂挥发完毕，经900～1300℃热处理得到所述的长发光寿命硅酸铒。