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系統識別號 U0002-2306201515393300
DOI 10.6846/TKU.2015.00717
論文名稱(中文) 利用同步輻射技術為基礎研究飛秒雷射製成硫過量摻雜於矽之次能帶吸收
論文名稱(英文) Understanding of sub-band gap absorption of femtosecond-laser sulfur hyperdoped silicon using synchrotron-based techniques
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 物理學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Physics
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生(中文) 李詔永
研究生(英文) Chao-Yung Lee
學號 601210247
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2015-06-09
論文頁數 64頁
口試委員 指導教授 - 彭維鋒(wfpong@mail.tku.edu.tw)
委員 - 薛宏中(hchsueh@mail.tku.edu.tw)
委員 - 李志甫(jflee@nsrrc.org.tw)
關鍵字(中) X光吸收近邊緣結構
延伸X光吸收精細結構
X光光電子能譜
關鍵字(英) black silicon
XANES
EXAFS
XPS
VB-PES
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
本論文主要以同步輻射相關實驗研究硫過量摻雜於p-type矽晶產生次能隙吸收與化學態、電子結構、原子結構的相關性。實驗包含光電子能譜(XPS)、X光吸收近邊緣結構(XANES)、X光延伸吸收精細結構(EXAFS)、價電帶放射能譜(VB-PES)以及第一原理理論計算。在S 2p XPS測量,隨著S2-的濃度提高,樣品之次能隙吸收也隨著提高。樣品經過退火處理後,次能隙吸收和S2-濃度同時的減少,而(Sn2-, n> 2)則有所增加,推測次能隙吸收與 S2-濃度有關。在Si的K-edge XANES量測中我們觀察到樣品中矽導帶底端附近之已佔據(未佔據)的電子態密度增加(降低)。而VB-PES測量清楚發現,硫摻雜在能隙中產生雜質態,因此提高次能隙吸收之強度。在第一原理計算態密度泛涵理論(DFT),預測當硫之濃度大於臨界濃度~0.46%時,造成樣品的Mott 絕緣-金屬相轉變,並且揭示出硫雜質態在價帶最大值與導帶最小值附近增加。
英文摘要
The correlation between sub-band gap absorption and the chemical states and electronic and atomic structures of S-hyperdoped Si have been extensively studied, using synchrotron-based x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), x-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES), extended x-ray absorption fine structure (EXAFS), valence-band photoemission spectroscopy (VB-PES) and first-principles calculations. S 2p XPS spectra reveal that the S-hyperdoped Si with the greatest (~87%) sub-band gap absorption contains the highest concentration of S2- (monosulfide) species. Annealing S-hyperdoped Si reduces the sub-band gap absorptance and the concentration of S2- species, but significantly increases the concentration of larger S clusters [polysulfides (Sn2-, n> 2)]. The Si K-edge XANES spectra show that S hyperdoping in Si increases (decreased) the occupied (unoccupied) electronic density of states at/above the conduction-band-minimum. VB-PES spectra evidently reveal that the S-dopants not only form an impurity band deep within the band gap, giving rise to the sub-band gap absorption, but also cause the insulator-to-metal transition in samples. In the calculations by Density Function Theory further predicted the IMT of S-doped Si at a dopant concentration of about 0.46% (~2.3x1020 cm-3) and clearly indicate that the enhancement of the Density of stats at the ECBM and EVBM.
第三語言摘要
論文目次
目錄
致謝…………………………………………………………………………I
中文摘要…………………………………………………………………………II
英文摘要…………………………………………………………………………III
目錄…………………………………………………………………………IV
圖表目錄…………………………………………………………………………VI
第一章、緒論…………………………………………………………………………1
1-1. 硫過摻雜矽的起源…………………………………………………………………………1
1-2. 文獻回顧…………………………………………………………………………1
第二章、實驗技術…………………………………………………………………………6
2.1. X光吸收光譜簡介…………………………………………………………………………6
  2-1-1. 吸收邊緣與E0值…………………………………………………………………………8
2-1-2. X光吸收近邊緣結構(X-ray Absorption Near Edge)…………………………………………………………………………9
2-1-3. 延伸X光吸收精細結構(Extended X-ray Absorption Fine Structure)………………………………………………10
2-1-4. 實驗方法………………………………………………………15
2-1-5. 數據分析………………………………………………………19
2-2. X光光電子能譜簡介 ( X-ray Photoelectron Spectroscopy)…………………………………………………23
第三章、實驗數據分析與討論…………………………………………25
3-1. 樣品製備與基本量測……………………………………………25
3-2. 實驗數據分析與討論……………………………………………30
3-2-1. 掃描式電子顯微鏡 (SEM) ………………………………30
3-2-2. X光光電子能譜(XPS) ……………………………………32
3-2-3. X光吸收近邊緣結構 (XANES) …………………………43
3-2-4. 延伸X光吸收精細結構(EXAFS) ………………………47
3-2-5. 價電帶光電子能譜(VB-PES) ……………………………50
3-2-6.第一原理計算(DFT) ………………………………………55
第四章、結論……………………………………………………………60
參考文獻…………………………………………………………………61

圖表目錄
圖1-1 硫過摻雜於矽樣品光捕捉示意圖 …………………………………4
圖1-2硫過摻雜於矽樣品文獻之SEM表面幾何結構……………………4
圖1-3 硫過摻雜於矽樣品文獻XES之圖譜………………………………5
圖2-1 光子能量與銅吸收截面關係圖 ……………………………………7
圖2-2 XANES與EXAFS分界圖	…………………………………………12
圖2-3 光電子平均自由路徑與能量關係圖………………………………12
圖2-4 單一散射與多重散射之圖像
      (a)為單一散射路程示意圖…………………………………………13
      (b)為多重散射路程示意圖…………………………………………13
圖2-5 射出電子受鄰近原子的背向散射,而產生干涉現象
(a)建設性干涉  (b)破壞性干涉……………………………………14
圖2-6 X光吸收光譜實驗示意圖…………………………………………16
圖2-7 三種光譜量測方法…………………………………………………18
圖2-8 X光吸收光譜之數據分析流程……………………………………19
圖2-9 XPS能量分布曲線圖………………………………………………24
圖3-1 樣品製作過程示意圖………………………………………………27
圖3-2 紫外光-可見光-近紅外光吸收光譜………………………………28
圖3-3 XPS全譜掃描譜圖…………………………………………………29
圖3-4樣品表面SEM影像…………………………………………………31
圖3-5樣品與硫粉XPS S 2p解析圖………………………………………37
表3-1 XPS S 2p各硫化物分析計算結果…………………………………38
圖3-6 平均次能隙吸收強度與硫化物濃度的關係圖……………………39
表3-2 XPS全譜解析結果…………………………………………………39
圖3-7 各樣品硫化物比例關係圖…………………………………………40
圖3-8樣品與矽晶 (100) XPS Si 2p解析圖………………………………40
圖3-9樣品與矽晶(100)之拉曼圖譜………………………………………42
圖3-10樣品與硫粉S K-edge XANES圖譜………………………………46
圖3-11樣品與矽晶 (100) Si K-edge XANES圖譜………………………46
圖3-12樣品與矽晶 (100) Si K-edge 傅立葉轉換圖 ……………………49
圖3-13樣品與矽晶(100)之VB-PES………………………………………53
圖3-14 在矽能隙中之硫雜質態模擬圖 …………………………………54
圖3-15(a)多種硫濃度的總態密度圖譜……………………………………57
圖3-15(b)1.56%硫濃度的能帶結構圖……………………………………57
圖3-15(c) 0.46%硫濃度的能帶結構圖……………………………………58
圖3-15(d) 對齊EVBM之態密度圖譜………………………………………58
圖3-16 以PBE算出之總態密度和部分態密度圖譜……………………59
圖3-17 以HSE06算出之總態密和部分態密度圖譜……………………59
參考文獻
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