PDF《Al 纳米颗粒表面等离激元对 ZnO 光致发光增强的研究*》

? Al 纳米颗粒表面等离激元对 ZnO 光致发光增强的研究* 刘姿????张恒????吴昊?????刘昌? (武汉大学物理科学与技术学院,?人工微结构教育部重点实验室,?核固体物理湖北省重点实验室,?武汉 430072) (2019?年1?月13 日收到;

?2019?年3?月13 日收到修改稿) 基于聚苯乙烯球自组装法,?在P型氮化镓 (P-GaN) 衬底上制备了有序致密的掩模板;

?采用热蒸发法在该 模板上沉积金属 Al 薄膜,?通过甲苯溶液去除聚苯乙烯球,?得到了金属 Al 纳米颗粒阵列;

?采用原子层沉积法, 在Al 纳米颗粒阵列表面依次沉积氧化铝 (Al2O3) 和氧化锌 (ZnO).

?通过测试 Al 纳米颗粒阵列的消光谱以及 ZnO 薄膜的光致发光谱,?研究了 Al 纳米颗粒表面等离激元与 ZnO 薄膜激子之间的耦合效应.?实验结果表明: 引入 Al 纳米颗粒后,?在约 380?nm 位置附近的 ZnO 近带边发光峰积分强度增强了 1.91 倍.?对Al 纳米颗粒表 面等离激元增强 ZnO 光致发光的机理进行探讨. 关键词:表面等离激元,?原子层沉积,?自组装,?光致发光 PACS:73.20.Mf,?72.80.Tm DOI: 10.7498/aps.68.20190062 ? 1???引言ZnO 是宽带隙化合物半导体,?其禁带宽度为 3.37?eV,?室温下激子结合能高达 60?meV,?远高于 室温热离化能 26?meV,?其近带边发射峰在 380?nm 附近,?因此成为紫外发光二极管(LED)、紫外激光 器、紫外探测器的理想候选材料[1?3].? 在制备ZnO 过程中,?由于引入了晶格缺陷和杂质,?ZnO 的 光致发光(photoluminescence,?PL)除了紫外波段 的近带边发光外,?还有位于可见光波段的缺陷发 光.?如何提高紫外发光效率,?减小缺陷杂质发光的 干扰,?成为 ZnO 材料用于制造紫外激光器、LED 等器件迫切需要解决的问题. 随着微纳加工技术的进步,?利用金属表面等离 激元提高 LED 发光效率的研究得到快速发展.?目 前已有工作表明,?通过采用不同的贵金属 Ag,?Au[4,5] 等,?利用金属局域表面等离子体,?即金属表面自由 电子在金属纳米颗粒与电介质之间界面处产生集 体振荡,?能够增强 ZnO 近带边发射峰[6?10] .?由于贵 金属成本较高,?限制了其商业化应用,?同时对金属 Al 表面等离激元与 ZnO 激子之间的相互作用的 研究较少[11,12] ,?故本文采用成本较低且含量丰富的 金属 Al 代替贵金属 Ag,?Au,?研究 Al 表面等离激 元对 ZnO 薄膜 PL 特性的影响. 利用金属表面等离激元增强 ZnO 近带边发射 峰,?最关键的是调控金属表面等离激元共振频率 与ZnO 近带边发光峰相吻合.?金属表面等离激元 的共振频率与很多因素有关,?比如纳米颗粒的形 状、大小以及周围电介质等,?大多数利用金属表面 等离激元提高 ZnO 发光效率的研究中,?制备金属 纳米颗粒都是先蒸镀一层金属薄膜,?再通过热退火 ? *??国家重点研究与发展计划 (批准号:?2017YFA0205802)、国家自然科学基金 (批准号:?11574235,?11875212) 和江苏省自然科学研 究基金 (批准号:?BK20151250) 资助的课题. ???通信作者.?E-mail:[email protected] ???通信作者.?E-mail:[email protected] ??2019?中国物理学会??Chinese?Physical?Society http://wulixb.iphy.ac.cn 物?理?学?报???Acta??Phys.??Sin.???Vol.?68,?No.?10?(2019)????107301 107301-1 方法自组装形成金属纳米颗粒,?该方法不能精确控 制金属纳米颗粒的形状和大小,?进而不能精确调控 金属表面等离激元的共振频率[8?10].?其他制备金属 纳米颗粒的方法是采用微加工,?该方法加工复杂、 成本高昂,?难以制备大面积结构 [13].?因此,?本文基 于聚苯乙烯 (Polystyrene,?PS) 球自组装法 [14?16], 在P-GaN 衬底上制备 Al 纳米颗粒,?再采用原子层 沉积(atomic ?layer ?deposition, ?ALD) 技术在Al 纳米颗粒表面依次沉积 Al2O3 和ZnO 薄膜.?PL 谱实验结果表明,?引入 Al 纳米颗粒后,?ZnO 近带 边发射峰得到增强. ? 2???实验设计 基于 PS 球自组装法,?在P-GaN 衬底上制备 有序致密的 PS 球掩模板,?具体方法如下 [16]:?通过 载玻片,?将所配制的 PS 球溶液引流到去离子水表 面并铺展开;