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Thermally Stimulated Evolution of Optical and Structural Properties of Germanium-Doped Alumina Films

Authors :
Fabrice Gourbilleau
Larysa Khomenkova
Isaac Balberg
Oleksandr Melnichuk
L. Melnichuk
Caroline Bonafos
Nicolas Ratel-Ramond
Nadiia Korsunska
Kremena Makasheva
Peter Petrik
V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics
National Academy of Sciences of Ukraine (NASU)
National University of Kyiv-Mohyla Academy (UKMA)
Sciences et Ingénierie des Plasmas Réactifs et des Arcs (LAPLACE-ScIPRA)
LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)
Institute of Technical Physics and Materials Science (MFA)
Centre for Energy Research [Budapest] (MTAE)
Hungarian Academy of Sciences (MTA)-Hungarian Academy of Sciences (MTA)
Nano-Optique et Nanomatériaux pour l'optique (CEMES-NeO)
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)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Mykola Gogol State University of Nizhyn (MGSUN)
Racah Institute of Physics (Racah Institute of Physics)
The Hebrew University of Jerusalem (HUJ)-Racah Institute of Physics
Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252)
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)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA)
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)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN)
Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Caen Normandie (UNICAEN)
Normandie Université (NU)
Source :
ECS Transactions, ECS Transactions, 2020, 97 (2), pp.81-90. ⟨10.1149/09702.0081ecst⟩, ECS Transactions, Electrochemical Society, Inc., 2020, 97 (2), pp.81-90. ⟨10.1149/09702.0081ecst⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

Group IV semiconductor nanoclusters/nanocrystals attract a great interest because of substantial transformation of their optical, electrical and luminescent properties due to quantum confinement effects. During last decades significant attention was paid to the Si nanocrystals (ncs) embedded in Si oxide or nitride, and later, to the Ge-ncs embedded in these matrices. The mechanism of these 'ncs' formation was investigated in details. Recently we have reported on the Si-ncs formation in hafnia and alumina thin films. This work will present the results obtained for the Ge-rich Al2O3 films. The effect of Ge content and annealing conditions on the evolution of optical and structural properties of these materials and formation of Ge-ncs will be addressed. The films with different Ge content were grown on quarts substrates by magnetron co-sputtering of Ge and Al2O3 targets in argon plasma. After deposition, they were annealed in nitrogen atmosphere and analyzed by means of spectroscopic ellipsometry, FTIR, Raman scattering, XRD and photoluminescence methods. It is observed that suitable thermal treatment leads to the decomposition of nonstoichiometric films and results in the Ge-ncs formation. The formation of Ge-ncs via phase separantion requires lower temperatures (600-700°C) than that for Si-ncs production in alumina host (1050-1100ºC). An annealing at 800-950ºC results in the Ge out-diffusion from the films via formation of volatile GeO. This process results in the significant depletion of the near-surface regions in germanium that was confirmed by an appearance of gradient in the refractive index via film volume. Decomposition process stimulates also an appearance of visible and near-infrared photoluminescence. The shape of luminescent spectrum depends significantly on both Ge content and the excitation wavelength. It is observed that exciton recombination inside nanocrystals dominates at longer wavelength excitation, whereas the UV-blue excitation results in the radiative recombination via interface or host defects in the materials. This result was found to be caused by the competition of different radiative channels in the films. The evolution of optical and luminescent properties will be discussed in details.

Details

Language :
English
ISSN :
19385862 and 19386737
Database :
OpenAIRE
Journal :
ECS Transactions, ECS Transactions, 2020, 97 (2), pp.81-90. ⟨10.1149/09702.0081ecst⟩, ECS Transactions, Electrochemical Society, Inc., 2020, 97 (2), pp.81-90. ⟨10.1149/09702.0081ecst⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....4c8d7932d18478af9e7d5c1835737b27