Influence of the insertion of boron and phosphorus on the optical and structural properties of silicon nanocrystals in a silica matrix

Afin de contribuer à la compréhension approfondie du dopage à l’échelle nanométrique, nous avons étudié l’influence de l'insertion d’atomes de bore et de phosphore sur les propriétés optiques et structurales de nanocristaux de silicium. En utilisant la technique d’évaporation sous ultravide, nous avons préparé des nanocristaux de silicium insérés dans une matrice de silice avec deux types de couches : des films minces d’oxydes de silicium SiO1,5 et des multicouches SiO/SiO2 contenant des impuretés bore ou phosphore avec des concentrations différentes et contrôlées. Alors que le phosphore facilite la démixtion de l’oxyde de silicium, ce qui a conduit à une augmentation de la taille des nanocristaux de silicium, le bore semble n’avoir aucune influence mesurable sur l’apparition et la croissance des nanocristaux. L’évolution de la photoluminescence des nanocristaux avec le dopage a été expliquée par l’existence de défauts structuraux ainsi que par un rôle de passivation des atomes de phosphore. Enfin, les techniques de microscopie électronique à transmission et de sonde atomique tomographique ont permis de montrer que, contrairement aux atomes de bore, les atomes de phosphore étaient localisés préférentiellement au sein des nanocristaux.In order to contribute to the in-depth understanding of doping at the nanoscale, we have studied the influence of the insertion of boron and phosphorus atoms on the optical and structural properties of silicon nanocrystals. Using the ultra-vacuum evaporation technique, we prepared silicon nanocrystals inserted in a silica matrix with two types of layers: thin films of silicon oxides SiO1.5 and SiO/SiO2 multilayers containing boron or phosphorus impurities with different and controlled concentrations. While phosphorus facilitates the demixing of silicon oxide, which has led to an increase in the size of silicon nanocrystals, boron seems to have no measurable influence on the appearance and growth of nanocrystals. The evolution of the photoluminescence of nanocrystals with doping has been explained by the existence of structural defects as well as by a passivating role of the phosphorus atoms. Finally, transmission electron microscopy and atomic tomographic probe techniques have shown that, unlike boron atoms, phosphorus atoms are preferentially located within nanocrystals