The growth mechanism of silicon nanocrystals (Si NCs) synthesized at a high rate by means of expanding thermal plasma chemical vapor deposition technique are studied in this letter. A bimodal Gaussian size distribution is revealed from the high-resolution transmission electron microscopy images, and routes to reduce the unwanted large Si NCs are discussed. Photoluminescence and Raman spectroscopies are employed to study the size-dependent quantum confinement effect, from which the average diameters of the small Si NCs are determined. The surface oxidation kinetics of Si NCs are studied using Fourier transform infrared spectroscopy and the importance of post-deposition passivation treatments of hydrogenated crystalline silicon surfaces are demonstrated.

1.
T.
Trupke
,
M. A.
Green
, and
P.
Wurfel
,
J. Appl. Phys.
92
(
3
),
1668
(
2002
).
2.
D.
Timmerman
,
I.
Izeddin
,
P.
Stallinga
,
I. N.
Yassievich
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Nat. Photonics
2
(
2
),
105
(
2008
).
3.
F.
Hetsch
,
N.
Zhao
,
S. V.
Kershaw
, and
A. L.
Rogach
,
Mater. Today
16
(
9
),
312
(
2013
).
4.
Y.
Tachibana
,
L.
Vayssieres
, and
J. R.
Durrant
,
Nat. Photonics
6
(
8
),
511
(
2012
).
5.
Y.
Kwon
,
G. S.
Park
, and
J. H.
Cho
,
Electrochim. Acta
52
(
14
),
4663
(
2007
).
6.
L.
Han
,
J.
Wang
, and
R.
Liang
,
IEEE Photovoltaics Specialists Conference
(
IEEE
,
2010
), p.
3338
.
7.
L.
Han
,
J.
Wang
, and
R.
Liang
,
Adv. Mater. Res (Durnten-Zurich, Switz.)
383–390
,
6270
(
2012
).
8.
W.
Shockley
and
H. J.
Queisser
,
J. Appl. Phys.
32
(
3
),
510
(
1961
).
9.
O. E.
Semonin
,
J. M.
Luther
,
S.
Choi
,
H. Y.
Chen
,
J. B.
Gao
,
A. J.
Nozik
, and
M. C.
Beard
,
Science
334
(
6062
),
1530
(
2011
).
10.
F. F.
Abdi
,
L.
Han
,
A. H. M.
Smets
,
M.
Zeman
,
B.
Dam
, and
R.
van de Krol
,
Nat. Commun.
4
,
2195-1
(
2013
).
11.
L.
Han
,
F. F.
Abdi
,
P.
Perez Rodriguez
,
B.
Dam
,
R.
van de Krol
,
M.
Zeman
, and
A. H. M.
Smets
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
(
9
),
4220
(
2014
).
12.
L.
Han
,
F. F.
Abdi
,
R.
van de Krol
,
R.
Liu
,
Z.
Huang
,
H.-J.
Lewerenz
,
B.
Dam
,
M.
Zeman
, and
A. H. M.
Smets
,
ChemSusChem
7
(
10
),
2832
(
2014
).
13.
L.
Han
,
I. A.
Digdaya
,
T. W. F.
Buijs
,
F. F.
Abdi
,
Z.
Huang
,
R.
Liu
,
B.
Dam
,
M.
Zeman
,
W. A.
Smith
, and
A. H. M.
Smets
,
J. Mater. Chem. A
3
,
4155
(
2015
).
14.
L.
Han
,
F. F.
Abdi
,
R.
van de Krol
,
B.
Dam
,
M.
Zeman
, and
A. H. M.
Smets
, in
40th IEEE Photovoltaic Specialist Conference
(
IEEE
,
2014
), p.
3083
.
15.
S. J.
Huang
and
G.
Conibeer
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
(
2
),
024003
(
2013
).
16.
R.
Gresback
,
T.
Nozaki
, and
K.
Okazaki
,
Nanotechnology
22
(
30
),
305605
(
2011
).
17.
O.
Yasar-Inceoglu
,
T.
Lopez
,
E.
Farshihagro
, and
L.
Mangolini
,
Nanotechnology
23
(
25
),
255604
(
2012
).
18.
R.
Groenen
,
J.
Loffler
,
P. M.
Sommeling
,
J. L.
Linden
,
E. A. G.
Hamers
,
R. E. I.
Schropp
, and
M. C. M.
van de Sanden
,
Thin Solid Films
392
(
2
),
226
(
2001
).
19.
K.
Sharma
,
B. L.
Williams
,
A.
Mittal
,
H. C. M.
Knoops
,
B. J.
Kniknie
,
N. J.
Bakker
,
W. M. M.
Kessels
,
R. E. I.
Schropp
, and
M.
Creatore
,
Int. J. Photoenergy
2014
,
253140
.
20.
M. C. M.
van de Sanden
,
R. J.
Severens
,
W. M. M.
Kessels
,
R. F. G.
Meulenbroeks
, and
D. C.
Schram
,
J. Appl. Phys.
85
(
2
),
1243
(
1999
).
21.
I.
Dogan
,
N. J.
Kramer
,
R. H. J.
Westermann
,
K.
Dohnalova
,
A. H. M.
Smets
,
M. A.
Verheijen
,
T.
Gregorkiewicz
, and
M. C. M.
van de Sanden
,
J. Appl. Phys.
113
(
13
),
134306-1
(
2013
).
22.
I.
Dogan
and
M. C. M.
van de Sanden
,
J. Appl. Phys.
114
(
13
),
134310-1
(
2013
).
23.
N. M.
Park
,
C. J.
Choi
,
T. Y.
Seong
, and
S. J.
Park
,
Phys. Rev. Lett.
86
(
7
),
1355
(
2001
).
24.
T.
Takagahara
and
K.
Takeda
,
Phys. Rev. B
46
(
23
),
15578
(
1992
).
25.
L.
Han
, Ph.D. thesis,
Delft University of Technology
,
2015
.
26.
S.
Park
,
E.
Cho
,
D. Y.
Song
,
G.
Conibeer
, and
M. A.
Green
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
93
(
6–7
),
684
(
2009
).
27.
W. D. A. M.
de Boer
,
D.
Timmerman
,
K.
Dohnalova
,
I. N.
Yassievich
,
H.
Zhang
,
W. J.
Buma
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Nat. Nanotechnol.
5
(
12
),
878
(
2010
).
28.
G.
Ledoux
,
O.
Guillois
,
D.
Porterat
,
C.
Reynaud
,
F.
Huisken
,
B.
Kohn
, and
V.
Paillard
,
Phys. Rev. B
62
(
23
),
15942
(
2000
).
29.
C. M.
Hessel
,
D.
Reid
,
M. G.
Panthani
,
M. R.
Rasch
,
B. W.
Goodfellow
,
J. W.
Wei
,
H.
Fujii
,
V.
Akhavan
, and
B. A.
Korgel
,
Chem. Mater.
24
(
2
),
393
(
2012
).
30.
L.
Han
,
M.
Zeman
, and
A. H. M.
Smets
,
Nanoscale
7
,
8389
(
2015
).
31.
G.
Conibeer
,
M.
Green
,
E. C.
Cho
,
D.
Konig
,
Y. H.
Cho
,
T.
Fangsuwannarak
,
G.
Scardera
,
E.
Pink
,
Y. D.
Huang
,
T.
Puzzer
,
S. J.
Huang
,
D. Y.
Song
,
C.
Flynn
,
S.
Park
,
X. J.
Hao
, and
D.
Mansfield
,
Thin Solid Films
516
(
20
),
6748
(
2008
).
32.
S. K.
Gupta
and
P. K.
Jha
,
Solid State Commun.
149
(
45–46
),
1989
(
2009
).
33.
L.
Sirleto
,
M. A.
Ferrara
,
T.
Nikitin
,
S.
Novikov
, and
L.
Khriachtchev
,
Nat. Commun.
3
,
1220-1
(
2012
).
34.
Z. F.
Sui
,
P. P.
Leong
,
I. P.
Herman
,
G. S.
Higashi
, and
H.
Temkin
,
Appl. Phys. Lett.
60
(
17
),
2086
(
1992
).
35.
G. X.
Cheng
,
K. J.
Chen
,
W.
Zhang
,
H.
Xia
, and
X. K.
Zhang
,
Phys. Status Solidi A
129
(
2
),
421
(
1992
).
36.
X. D.
Pi
,
L.
Mangolini
,
S. A.
Campbell
, and
U.
Kortshagen
,
Phys. Rev. B
75
(
8
),
085423
(
2007
).
37.
A. C.
Bronneberg
,
A. H. M.
Smets
,
M.
Creatore
, and
M. C. M.
van de Sanden
,
J. Non-Cryst. Solids
357
(
3
),
884
(
2011
).
38.
X. D.
Pi
and
U.
Kortshagen
,
Nanotechnology
20
(
29
),
295602
(
2009
).
You do not currently have access to this content.