項目簡介：  

硅是最重要的半導體，氧化硅是硅的最佳輔佐。大氣中納米硅表面必然生長納米氧化硅層，兩者的物理特性特別是發光特性受到廣泛重視。本項目研究納米硅－氧化硅體系 - 包括納米氧化硅復蓋的納米硅，多孔硅，納米硅/納米氧化硅多層結構等 - 的發光特性及其物理機制。

主要創新：

１．提出量子限制(QC)－發光中心(LC)模型（1993），指出緊鄰納米硅的納米氧化硅中LC（缺陷或雜質）與納米硅一樣在PL中起關鍵作用。解釋了當時占統治地位的QC模型難以解釋的許多實驗。QCLC模型被學術界廣泛承認為納米硅－納米氧化硅體系PL兩種主要機制模型之一。

２．首先指出多孔硅的紅光和藍光PL都源于氧化硅LC。發現起源于氧化硅LC的多孔硅近紫外光PL。發現多孔硅PL峰位在低溫退火下會聚到1.7eV附近。首次獲得并研究多孔度大于90%而在空氣中不蹋縮的自支撐多孔硅膜，實驗支持QCLC模型。

3. 　發現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可源于納米氧化硅中LC。還發現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，闡明反向與正向偏置EL機制的共性與差異。最早（兩者之一）實現硅基納米(硅/氧化硅)超晶格EL。首次將納米（氧化硅/硅/氧化硅）單阱雙壘這個基本量子結構引入EL研究。發現ITO/自然氧化硅/p-Si的360nm紫外EL。

4．建立并不斷完善納米硅－納米氧化硅體系PL的定量理論。建立了同時考慮納米氧化硅LC和納米硅兩者作用的納米硅－納米氧化硅體系PL定量理論。指出：納米硅大，有利于納米氧化硅LC發光主導；而納米硅小，有利于納米硅發光主導，結論與先前國際上有廣泛影響的觀點相反。半導體所與香港科技大學合作的實驗結果明確支持我們的結論。

發表論文102篇（SCI論文83篇），其中66篇被SCI論文他引582次。提出QCLC模型和發現源于氧化硅發光中心EL的論文單篇分別被他引98和53次。成果在國際同類研究中領先或居最前列。

主要發現點：

1. 提出量子限制(QC)－發光中心(LC)模型（1993）：光激發發生在納米硅中，而光發射發生在納米氧化硅中緊鄰納米硅的LC上，即發生在納米硅－氧化硅界面LC上。解釋了當時占統治地位的QC模型難以解釋的許多實驗。被國內外大量實驗證實為納米硅－氧化硅體系兩種主要PL機制模型之一。（低維物理，固體發光，代表論文1, ９)

2. 發現起源于氧化硅LC的多孔硅在～360 nm近紫外PL (1996)。首先指出多孔硅紅光和 藍光PL源于氧化硅LC。將102塊PL峰位分布在1.4－1.9 eV范圍的多孔硅進行室溫一年或200oC下200小時氧化，發現其PL峰位會聚到1.7eV附近，該現象可用QCLC 模型解釋而與QC模型的推論相悖。指出此～1.7 eV紅光PL來自氧化硅LC。首次獲多孔度大于90%而在空氣中不蹋縮的自支撐多孔硅膜，相關測量支持QCLC模型。（低維物理，固體發光，代表論文3-5, 10）

3. 發現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可源于納米氧化硅LC。發現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。指出反偏與正偏EL機制的共性是發光都來自納米氧化硅LC，差異是只有反偏EL以雪崩擊穿為前提。首先（兩者之一）實現硅基納米(硅/氧化硅)超晶格EL。首次將納米（氧化硅/硅/氧化硅）單阱雙壘這個基本量子結構引入EL研究，發現其EL峰位和強度對納米硅層厚度的依賴規律。發現ITO/自然氧化硅/p-Si 360 nm 近紫外EL，是當時(1999)國際上波長最短和工作電壓最低的硅基近紫外EL。通過對比摻Er納米硅鑲嵌氧化硅和摻Er氧化硅的

1.54微米EL 說明納米硅在EL中作用。（低維物理，固體發光, 代表論文2, 6）

4. 建立并不斷完善同時考慮納米氧化硅LC和納米硅兩者作用的納米硅－氧化硅體系PL定量理論，包括摻Er的納米硅鑲嵌氧化硅PL理論。分析納米硅和納米氧化硅LC發光這兩個主要發光過程各在什么條件下占優勢，指出：納米硅大，有利于LC發光主導；而納米硅小，有利于納米硅發光主導（2003），此結論與國外有廣泛影響的觀點(1999)正好相反。1995半導體所與香港科技大學合作的實驗結果明確支持我們的結論。（低維物理，固體發光，代表論文７, ８）

主要完成人：

1.       秦國剛

全面負責本項研究工作并參與了全過程。量子限制－發光中心模型的主要提出者, 相關理論的主要研究者之一。起源于氧化硅發光中心的電致發光的主要發現者之一；相關電致發光機制模型的主要提出者。

對所有發現點都作出重要貢獻。占本人工作量的90%。

2.   冉廣照

系統和深入地研究了摻鉺富硅氧化硅和納米（SiO2:Er/Si/SiO2:Er ）單阱雙壘等結構的近紅外電致發光，是硅基摻鉺1.54 微米電致發光和引入發光中以提高電致發光強度的主要研究者。對發現點3 作出重要貢獻。占本人工作量的50%以上。

3.  秦國毅

QCLC 模型定量理論的主要建立者。從理論上系統和深入地研究了納米硅/氧化硅體系發光的微觀機制，包括納米硅鑲嵌氧化硅和氧化硅/納米硅/氧化硅單阱雙勢壘結構的輸運與發光等，指導了實驗工作的不斷深化。對發現點4 作出重要貢獻。占本人工作量的50%以上。

4.  徐東升

系統深入地研究了多種多孔硅的制備，表征和光致發光及其機制。是中、高多孔度自支撐多孔硅膜的制備與相關光吸收，喇曼光譜，和光致發光譜的主要研究者，是多孔硅表面修飾的主要研究者之一。對發現點2 作出重要貢獻。占本人工作量的60%。

5.  張伯蕊

參與了本項目的全過程。參與了大量的光致和電致發光光譜的測量和分析工作。多孔硅制備工藝的主要研究者之一。大氣中長期存放或低溫氧化的多孔硅發光峰位會聚現象的主要發現者之一。對發現點2和3作出重要貢獻。占本人工作量的60%。

10篇代表性論文：

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