journal article·2023Open access

Hyperdoped Si nanocrystals embedded in silica for infrared plasmonics

Meiling Zhang, Jean-Marie Poumirol, Nicolas Chery, Hervé Rinnert, Alaa E. Giba, Rémi Demoulin, Etienne Talbot, Fuccio Cristiano, Teresa Hungria, Vincent Paillard, Fabrice Gourbilleau, Caroline Bonafos

Nanoscale· Volume 15· Issue 16

Abstract

We present the experimental realization of plasmonic hyperdoped Si nanocrystals embedded in silica via a combination of sequential low energy ion implantation and rapid thermal annealing. We show that phosphorus dopants are incorporated into the nanocrystal cores at concentrations up to six times higher than P solid solubility in bulk Si by combining 3D mapping with atom probe tomography and analytical transmission electron microscopy. We shed light on the origin of nanocrystal growth at high P doses, which we attribute to Si recoiling atoms generated in the matrix by P implantation, which likely increase Si diffusivity and feed the Si nanocrystals. We show that dopant activation enables partial nanocrystal surface passivation that can be completed by forming gas annealing. Such surface passivation is a critical step in the formation of plasmon resonance, especially for small nanocrystals. We find that the activation rate in these small doped Si nanocrystals is the same as in bulk Si under the same doping conditions.
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Research context

OpenAlex topics: Silicon Nanostructures and Photoluminescence · Nonlinear Optical Materials Studies · Nanowire Synthesis and Applications

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Affiliations

CEMES-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, 31055 Toulouse, France

Université de Lorraine CNRS, IJL, Nancy, France

National Institute of Laser Enhanced Sciences, Cairo University, Giza 12613, Egypt

Normandie Univ, UNIROUEN, INSA Rouen, CNRS, Groupe de Physique des Matériaux, 76000 Rouen, France

LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, 31031 Toulouse, France

Centre de Microcaractérisation Raimond Castaing (UAR 3623), 31400 Toulouse, France

CIMAP, Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CEA, CNRS, 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050, Caen Cedex 4, France

Funding

Agence Nationale de la Recherche · China Scholarship Council

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