Nanostructural properties of highly luminescent porous silicon

doctoral thesis

• Title: Nanostrukturna svojstva visoko luminiscentnoga poroznoga silicija
• Author: Marin Kosović
• Mentor: Ozren Gamulin (mentor)
• Committee member: Ozren Gamulin (predsjednik povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Physics); Zagreb
• Defense date and country: 2015-06-23, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Physics
• Universal decimal classification (UDC): 53; NATURAL SCIENCES; Physics

Abstract

Tema istraživanja ovog doktorskog rada su strukturna i optička svojstva visoko luminiscentnog poroznog silicija (pSi) različitih poroznosti te njegova primjena kao predloška za izradu novih efikasnih SERS podloga. Uzorci nanostrukturnog pSi su izrađeni anodizacijom slabo dopiranih silicijevih pločica p-tipa mijenjanjem parametara jetkanja. Površina pSi se ponaša kao reducens srebrnih iona te se može uporabiti kao predložak za izradu SERS podloga. Nove SERS podloge su dobivene uranjanjem predložaka pSi u vodenu otopinu AgNO3. Uzorci su analizirani Ramanovom spektroskopijom s dvije laserske pobude (rezonantnom na 514,5 nm i nerezonantnom na 1064 nm), infracrvenom spektroskopijom s Fourierovom transformacijom (FTIR), pretražnom elektronskom mikroskopijom (SEM) te s energijski razlučujućom rendgenskom spektroskopijom (EDS). Snimljeni Ramanovi spektri pSi s nerezonantnom pobudom pokazali su crveni pomak i širenje O(Γ) fononske vrpce što upućuje na jako fononsko zatočenje. Pored toga opažen je i efekt kvantnog zatočenja elektrona u vidu plavog pomaka fotoluminiscentne vrpce. Kako energija fotoluminiscencije u malim nanokristalima ovisi i o kisiku na površini nanokristala, analizom FTIR i EDS spektara nađena je djelomična prekrivenost površine uslijed čega se valna duljina fotoluminiscentne vrpce ne mijenja na način kako bi se to očekivalo prema modelu kvantnog zatočenja. Ti rezultati dodatno ukazuju da pasivizacija površine pSi kisikom uz kvantno zatočenje određuje elektronska stanja silicijevih nanokristala poroznog silicija. SEM mikrografije priređenih SERS podloga pokazale su različite morfologije sa značajnom razlikom u srednjoj veličini čestica i distribuciji veličina srebrnih nanočestica. Aktivnost SERS podloga je testirana koristeći molekule rodamina 6G (R6G) s rezonantnom pobudom. SERS podloga napravljena od predloška makro/mezoporoznog silicija je pokazala veliku SERS aktivnost koja omogućava mjerenje ekstremno niske koncentracije molekula R6G sve do 10-15 M koja može ukazivati na detekciju jedne molekule.

Abstract (english)

Light emitting porous silicon is nanostructured semiconductor material with distinguished optical properties. It has sponge-like structure containing silicon nanocrystals and a fairly large surface that can easily be accessed and chemically modified due to its porous characteristics. Unlike crystalline silicon, which is a typical example of the semiconductor with indirect energy bandgap, highly luminescent porous silicon shows the characteristics of a semiconductor with a direct bandgap whose photoluminescence quantum efficiency reaches up to 23%. Therefore, it has great potential to become main material in optoelectronic devices that generate light such as light emitting diodes and lasers. Due to the quantum confinement of charge within a nanocrystal, the reduction of size causes the gradual widening of its energy gap. This means that by changing the size of nanocrystals within the porous silicon the wavelength of the emitted light can be controlled. The aim of this study was to determine the size of porous silicon nanocrystals with different porosity using FT-Raman spectroscopy with non-resonant laser excitation and correlate it with the photoluminescence. Also, the aim was to analyse the molecular groups present on the surface of the nanocrystals and to determine their impact on photoluminescence energy.

• Keywords: visoko luminiscentni porozni silicij; fotoluminiscencija; fononsko zatočenje; kvantno zatočenje; površinski pojačano Ramanovo raspršenje (SERS)
• Keywords (english): light emitting porous silicon; phonon confinement; quantum confinement; photoluminescence; nanostructured silver film; localized surface plasmons; SERS; Raman spectroscopy; SEM; UV/VIS/NIR spectroscopy; FT-IR; FT-Raman
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:294337
• Study programme: Title: Fizika; Study programme type: sveučilišni; Study level: poslijediplomski doktorski; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika (doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika)
• Type of resource: Text
• Extent: 126 str.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2017-08-21 12:46:12