Heavily Doped Si Nanocrystals Formed in P-(SiO/SiO 2 ) Multilayers: A Promising Route for Si-Based Infrared Plasmonics
| Autor: | Alix Valdenaire, Alaa Eldin Giba, Mathieu Stoffel, Xavier Devaux, Loïc Foussat, Jean-Marie Poumirol, Caroline Bonafos, Sonia Guehairia, Rémi Demoulin, Etienne Talbot, Michel Vergnat, Hervé Rinnert |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Institut Jean Lamour (IJL), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), National Institute of Laser Enhanced Sciences (NILES), Cairo University, Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Groupe de physique des matériaux (GPM), Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-18-CE09-0034,DONNA,Dopage à l'échelle nano(2018) |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2023 |
| Předmět: |
Si nanocrystals
infrared absorption spectroscopy LSPR [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci] [SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic hyperdoping General Materials Science Si nanocrystals phosphorus hyperdoping LSPR infrared absorption spectroscopy phosphorus [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat] |
| Zdroj: | ACS Applied Nano Materials ACS Applied Nano Materials, 2023, ⟨10.1021/acsanm.2c05088⟩ |
| ISSN: | 2574-0970 |
| Popis: | International audience; As building blocks of multifunctional materials involving coupling at the nanoscale, highly doped semiconductor nanocrystals are of great interest for potential applications in nanophotonics. In this work, we investigate the plasmonic properties of highly doped Si nanocrystals embedded in a silica matrix. These materials are obtained by evaporation of heavily Phosphorus-doped SiO/SiO2 multilayers in a ultrahigh vacuum chamber followed by rapid thermal annealing. For P contents between 0.7 and 1.9 at%, structural investigations at the nanoscale give clear evidence that P atoms are mainly located in the core of Si nanocrystals with concentrations reaching up to 10 at%, i.e. well beyond the solid solubility limit of P in bulk Si. Alloying and formation of SiP nanoparticles is observed for P contents exceeding 4 at% in the multilayer. Infrared absorption measurements give evidence of a localized surface plasmon resonance located in the 3 to 6 µm range. A core-shell structure was used to model Si nanocrystals embedded in a silica matrix. Based on the Mie theory and the Drude model, both the mobility and the free charge carrier density were extracted from the simulation, with values reaching 27 cm 2 V-1 s-1 and 2.3×10 20 cm-3 , respectively. This results in a dopant activation rate of about 8 %. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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