项目简介：  

硅是最重要的半导体，氧化硅是硅的最佳辅佐。大气中纳米硅表面必然生长纳米氧化硅层，两者的物理特性特别是发光特性受到广泛重视。本项目研究纳米硅－氧化硅体系 - 包括纳米氧化硅复盖的纳米硅，多孔硅，纳米硅/纳米氧化硅多层结构等 - 的发光特性及其物理机制。

主要创新：

１．提出量子限制(QC)－发光中心(LC)模型（1993），指出紧邻纳米硅的纳米氧化硅中LC（缺陷或杂质）与纳米硅一样在PL中起关键作用。解释了当时占统治地位的QC模型难以解释的许多实验。QCLC模型被学术界广泛承认为纳米硅－纳米氧化硅体系PL两种主要机制模型之一。

２．首先指出多孔硅的红光和蓝光PL都源于氧化硅LC。发现起源于氧化硅LC的多孔硅近紫外光PL。发现多孔硅PL峰位在低温退火下会聚到1.7eV附近。首次获得并研究多孔度大于90%而在空气中不蹋缩的自支撑多孔硅膜，实验支持QCLC模型。

3. 　发现Au /　自然氧化硅　/　p-Si（1994）和Au/　富硅氧化硅　/　p-Si（1995）正向偏置EL。首次指出EL可源于纳米氧化硅中LC。还发现Au/　富硅氧化硅　/　n+-Si和Au/　自然氧化硅　/　p+-Si（或n+-Si）反向偏置EL，阐明反向与正向偏置EL机制的共性与差异。最早（两者之一）实现硅基纳米(硅/氧化硅)超晶格EL。首次将纳米（氧化硅/硅/氧化硅）单阱双垒这个基本量子结构引入EL研究。发现ITO/自然氧化硅/p-Si的360nm紫外EL。

4．建立并不断完善纳米硅－纳米氧化硅体系PL的定量理论。建立了同时考虑纳米氧化硅LC和纳米硅两者作用的纳米硅－纳米氧化硅体系PL定量理论。指出：纳米硅大，有利于纳米氧化硅LC发光主导；而纳米硅小，有利于纳米硅发光主导，结论与先前国际上有广泛影响的观点相反。半导体所与香港科技大学合作的实验结果明确支持我们的结论。

发表论文102篇（SCI论文83篇），其中66篇被SCI论文他引582次。提出QCLC模型和发现源于氧化硅发光中心EL的论文单篇分别被他引98和53次。成果在国际同类研究中领先或居最前列。

主要发现点：

1. 提出量子限制(QC)－发光中心(LC)模型（1993）：光激发发生在纳米硅中，而光发射发生在纳米氧化硅中紧邻纳米硅的LC上，即发生在纳米硅－氧化硅界面LC上。解释了当时占统治地位的QC模型难以解释的许多实验。被国内外大量实验证实为纳米硅－氧化硅体系两种主要PL机制模型之一。（低维物理，固体发光，代表论文1, ９)

2. 发现起源于氧化硅LC的多孔硅在～360 nm近紫外PL (1996)。首先指出多孔硅红光和 蓝光PL源于氧化硅LC。将102块PL峰位分布在1.4－1.9 eV范围的多孔硅进行室温一年或200oC下200小时氧化，发现其PL峰位会聚到1.7eV附近，该现象可用QCLC 模型解释而与QC模型的推论相悖。指出此～1.7 eV红光PL来自氧化硅LC。首次获多孔度大于90%而在空气中不蹋缩的自支撑多孔硅膜，相关测量支持QCLC模型。（低维物理，固体发光，代表论文3-5, 10）

3. 发现Au/自然氧化硅/p-Si（1994）和Au/富硅氧化硅/p-Si（1995）正向偏置下EL。首次指出EL可源于纳米氧化硅LC。发现Au/富硅氧化硅/n+-Si(1997)和Au/自然氧化硅/p+-Si（或n+-Si）(1998)反向偏置EL。指出反偏与正偏EL机制的共性是发光都来自纳米氧化硅LC，差异是只有反偏EL以雪崩击穿为前提。首先（两者之一）实现硅基纳米(硅/氧化硅)超晶格EL。首次将纳米（氧化硅/硅/氧化硅）单阱双垒这个基本量子结构引入EL研究，发现其EL峰位和强度对纳米硅层厚度的依赖规律。发现ITO/自然氧化硅/p-Si 360 nm 近紫外EL，是当时(1999)国际上波长最短和工作电压最低的硅基近紫外EL。通过对比掺Er纳米硅镶嵌氧化硅和掺Er氧化硅的

1.54微米EL 说明纳米硅在EL中作用。（低维物理，固体发光, 代表论文2, 6）

4. 建立并不断完善同时考虑纳米氧化硅LC和纳米硅两者作用的纳米硅－氧化硅体系PL定量理论，包括掺Er的纳米硅镶嵌氧化硅PL理论。分析纳米硅和纳米氧化硅LC发光这两个主要发光过程各在什么条件下占优势，指出：纳米硅大，有利于LC发光主导；而纳米硅小，有利于纳米硅发光主导（2003），此结论与国外有广泛影响的观点(1999)正好相反。1995半导体所与香港科技大学合作的实验结果明确支持我们的结论。（低维物理，固体发光，代表论文７, ８）

主要完成人：

1.       秦国刚

全面负责本项研究工作并参与了全过程。量子限制－发光中心模型的主要提出者, 相关理论的主要研究者之一。起源于氧化硅发光中心的电致发光的主要发现者之一；相关电致发光机制模型的主要提出者。

对所有发现点都作出重要贡献。占本人工作量的90%。

2.   冉广照

系统和深入地研究了掺铒富硅氧化硅和纳米（SiO2:Er/Si/SiO2:Er ）单阱双垒等结构的近红外电致发光，是硅基掺铒1.54 微米电致发光和引入发光中以提高电致发光强度的主要研究者。对发现点3 作出重要贡献。占本人工作量的50%以上。

3.  秦国毅

QCLC 模型定量理论的主要建立者。从理论上系统和深入地研究了纳米硅/氧化硅体系发光的微观机制，包括纳米硅镶嵌氧化硅和氧化硅/纳米硅/氧化硅单阱双势垒结构的输运与发光等，指导了实验工作的不断深化。对发现点4 作出重要贡献。占本人工作量的50%以上。

4.  徐东升

系统深入地研究了多种多孔硅的制备，表征和光致发光及其机制。是中、高多孔度自支撑多孔硅膜的制备与相关光吸收，喇曼光谱，和光致发光谱的主要研究者，是多孔硅表面修饰的主要研究者之一。对发现点2 作出重要贡献。占本人工作量的60%。

5.  张伯蕊

参与了本项目的全过程。参与了大量的光致和电致发光光谱的测量和分析工作。多孔硅制备工艺的主要研究者之一。大气中长期存放或低温氧化的多孔硅发光峰位会聚现象的主要发现者之一。对发现点2和3作出重要贡献。占本人工作量的60%。

10篇代表性论文：

1.   Mechanism of the Visible Luminescence in Porous Silicon. Solid StateCommun. 86, 559 (1993).

2.   Visible EL from Semi-transparant Au Film/ Extra Thin Si-rich Silicon Oxide Film / p-Si Structure. J. Appl. Phys.78, 2006 (1995).

3.   A Comparative Study of Ultraviolet Emission with Peak Wavelengths Around 350nm from Oxidized Porous Silicon and that from SiO2 Powder. Appl. Phys. Lett. 69, 1689 (1996).

4.   Experimental Evidence for Luminescence from Si Oxide in Oxidized Porous Si. Phys. Rev.B54, 2548 (1996).

5.   Photoluminescence Mechanism for Blue Light Emitting Porous Silicon. Phys. Rev.B 55, 12876 (1997).

6.   An effect of Si Nanoparticles on Enhancing Er 3+ EL in Si - rich SiO: Er films. Solid State Commun, 118, 599 (2001).

7.   Theory on the QCLC Model for Nanocrystalline and Porous Si. J.Appl. Phys. 82, 2572 (1997).

8.   PL Model for Oxidized Porous Si and Nanoscale -Si Particle - Embedded Silicon Oxide. Phys., Rev. B68, 085309 (2003)

9.   Doble-Peak Structure of Photoluminescence Spectra for Porous Silicon and Its Dependence on Excitation Wavelength. J. Appl. Phys.78, 478

10.  Optical Absorption and PL Studies on Free-Standing Porous Silicon Films with High Porosities. J. Phys. Chem. B 103, 5468