Au表面等離激元調控ZnO單晶的PL性能的研究

劉進文

（北京工業大學，北京，100124）

0 引言

氧化鋅[1-2]（ZnO）是一種重要的II-V族氧化物，屬于第三代半導體材料，禁帶寬度（Eg=3.37eV）非常高，而且束縛激子能高達60meV，遠高于室溫電離化能(26meV)，在室溫下，激子可以在ZnO中穩定存在，與其他半導體材料相比，ZnO材料是一種更適合在室溫或者更高溫度下工作的紫外光電材料，在光電探測方面有巨大的應用，與氮化鎵（GaN）相比，制備工藝簡單，生長溫度低，成本低，對于未來的推廣應用具有極大的優勢。由于它具有許多優異的物理化學性質，在光電導，壓電，光波導，發光器件，激光器，透明導電膜，太陽能，聲光器件等方面有廣泛的應用。目前，ZnO材料生長技術日趨完善，紫外發光性能還有待提升，缺陷發光在生長過程中不能完全有效地抑制。

表面等離激元[3]（surface plasmon，SP）近年來得到了廣泛的研究，是一種介于金屬和介質表面的一種電子共諧振蕩。具有一系列優良的光學性質，包括對光的選擇性散射和吸收，局域電場增強，拉曼表面增強光譜（SERS）等。金屬納米薄膜與介質的界面上激發的表面等離激元可以沿著薄膜向遠處傳播，稱為傳導的表面等離激元（PropagatingSurface Plasmon Polarition，SPP），金屬納米顆粒的自由電子震蕩被束縛在金屬粒子附近，稱為局域表面等離激元（Localized Surface Plasmon，LSP）。表面等離激元在生物，化學，物理，能源，信息等方面都有非常廣泛的應用。

本文中，我們研究了利用局域表面等離激元調控ZnO單晶塊材的PL性能，實現紫外發光效率增強，同時抑制缺陷發光。

1 實驗研究

本實驗所用的ZnO單晶材料是從合肥科晶材料技術有限公司購買，生長方向是0001方向，尺寸規格為5mm×5mm×0.5mm，“Zn”面拋光。 在實驗前，先后用丙酮、乙醇、去離子水分別單獨超聲清洗20分鐘，用擦鏡紙擦干后，測試樣品的熒光光譜。接著，我們使用Au顆粒直流濺射儀，在不同的濺射時間下對ZnO單晶Zn面濺射Au顆粒。經過一系列探索實驗，我們最終將直流濺射儀濺射電流設定為10mA，真空度設定為8Pa，研究不同的濺射的時間對于增強因子的影響，并且探索最大的增強因子。我們將濺射時間間隔設定為2s，研究濺射時間從2s～20s對于增強因子的影響。實驗中使用Action SP2750型熒光光譜儀測量發光光譜，激發光源波長325nm的He-Cd激光，功率是10mW，掃譜范圍是350nm～700nm，光譜分辨率：0.023nm，光譜精度：小于±2像元。在ZnO單晶鍍膜前后分別測試其熒光光譜，控制積分時間相同。選取最佳的樣品拍攝掃描電鏡照片。本實驗用到的掃描電鏡是日立JEOLJSM 6500F型掃描電子顯微鏡，真空度小于10-7，分辨率為1.5nm，加速電壓為0.5kV~30kV，放大倍率×10~×200000。

2 實驗結果

在圖1中，黑色曲線代表原始的ZnO單晶光致發光光譜，我們發現，ZnO單晶有兩個發光帶，一個是窄的紫外發光帶（UVPL），在380nm附近，另一個是寬的黃綠光帶（DL），大約在550nm-700nm之間。我們發現Au表面等離激元能夠強烈的增強ZnO單晶的紫外發光，可見發光幾乎完全被抑制。

圖1 SP調控ZnO單晶PL性能圖

3 分析討論

對于金屬納米顆粒來說，局域表面等離激元的共振消光包括了局域表面等離激元共振散射和吸收，當發光中心與金屬納米結構距離較近時，并且與之局域表面等離激元發生共振吋，發光中心的能量會很快速轉移給金屬納米顆粒。該金屬納米顆粒的散射和吸收決定了發光的增強和減弱。當金屬納米顆粒的散射截而較大吋，共振耦合能量將以輻射的形式發射出來進入自由空間，因此發光的強度將會得以增強。在ZnO表面，當激發產生表面等離激元以后，貴金屬費米能級以下的電子會躍遷到費米能級上的SP帶，如果該能帶的能量高于ZnO的導帶時，大量的電子會向ZnO轉移，表面等離激元的能量會激發被ZnO界面處被氧空位缺陷束縛的電子到導帶，因此，紫外發光得到了增強，同時缺陷發光得到了抑制。

局域表面等離激元共振增強熒光發光的機理可以總結為三方面：第一，激發速率的增強。表面等離子體能夠通過加強熒光激發速率從而極大地增強熒光的發光信號。第二，電子-空穴復合速率的增加。第三，電子轉移。而缺陷發光抑制則歸結為缺陷能級大量電子轉移到費米能級。

參考文獻

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