PDF《Al 纳米颗粒表面等离激元对 ZnO 光致发光增强的研究*》

?利用水表面张力分散 PS 球,?自组装 形成大面积无序的单层膜;

?再滴加浓度 2% 的十二 烷基硫酸钠 (sodium?dodecyl?sulfate,?SDS) 溶液, 形成高密度、大面积、有序排列的 PS 球单层膜;

?待 液面稳定后,?用镊子夹住 P-GaN 衬底,?从PS 球单 层膜区域将其缓慢提拉出水面,?静置晾干即可得到 有序的 PS 球掩模板.?PS 球的大小不同,?得到的金 属颗粒大小也不同. 室温下采用热蒸发法在该模板上沉积 50?nm 金属 Al 薄膜,?沉积腔体背景压强为 4?*?10C4 ?Pa, 沉积速率为 0.02??/s.?通过甲苯溶液去除 PS 球, 形成有序的 Al 纳米颗粒阵列.?采用 ALD 技术在 Al 纳米颗粒表面依次沉积 15?nm?Al2O3 和200?nm ZnO,?沉积温度为 125?℃.?由于金属的电子费米面 能级比半导体的导带能级低,?同时比价带能级高, 电子将会从导带直接转移到金属费米能级,?并不能 发生有效的辐射跃迁,?最后以热振动的形式被耗尽 能量,?这是 SPs 淬灭半导体发光的作用机制.?淬灭 发光不能增强其光致发光,?插入 Al2O3 缓冲层能避 免发生淬灭[17]. 本实验室ALD 机器型号为Beneq 公司的TSF ?200. ?Al2O3 所用的前驱体源是三甲基铝(Trimethylaluminium,?TMA)和水(H2O),?生长 速率为 0.1?nm/cycle.?ZnO 所用的前驱体源是二乙基 锌(Diethylzinc,?DEZn)和H2O,?生长速率为 0.2?nm/ cycle,?具体生长工艺参见本课题组之前工作[18]. 使用原子力显微镜 (atomic?force?microscope, AFM,?Shimadzu,?SPM-9500J3) 来表征分析 ZnO 薄膜表面粗糙度,?使用扫描电子显微镜 (scanning electron ?microscope, ?SEM) 观察自组装形成的PS 球掩模板,?使用仪器 Varian?Cary5000 型紫外- 可见-红外双光束分光光度计测量样品的吸收谱, 以325?nm?He-Cd 激光器作激发源测量样品的 PL 谱. ? 3???结果与讨论 图1(a) 为PS 球阵列的 SEM 图;

?图1(b) 为Al 纳米颗粒的 SEM 图.?由图 1(a) 和图 1(b) 可知, PS 球阵列为二维有序密排结构,?去除 PS 球后,?得 到三角锥状有序的 Al 纳米颗粒阵列.?通过时域有 限差分法(finite?difference?time?domain,?FDTD) 模拟 [19] ,?采用 360?nm?PS 球作为模板,?得到 Al 纳 米颗粒阵列,?其三角形边长平均长度为 93?nm,?该Al 纳米颗粒阵列的消光谱与 ZnO 的紫外发光 (UV)峰相吻合,?有利于增强 ZnO 近带边发光.?因此,?本文采用的 PS 球粒径为 360?nm. 图2所示为生长 ZnO 薄膜后样品的 PL 谱. 其中,?实线代表有 Al 纳米颗粒,?虚线代表没有 ? 图?1????(a)?PS 球阵列 SEM 图;

?(b)?Al 纳米颗粒阵列 SEM 图Fig.?1.?(a)?The?SEM?image?of?PS?arrays;

?(b)?the?SEM?image?of?Al?nanoparticle?arrays. ? 物?理?学?报???Acta??Phys.??Sin.???Vol.?68,?No.?10?(2019)????107301 107301-2 Al 纳米颗粒.?图中两个 PL 谱有一个很强的峰是位 于380?nm 附近窄的 UV 峰,?对应于 ZnO 激子的 近带边发光;

?另一个很弱的峰是位于 520?nm 附近 宽的发射峰,?一般认为与 ZnO 晶体的缺陷有关,?如 氧空位、锌间隙位等 [20] .?520?nm 附近宽的发射峰 相对于 380?nm 左右窄的 UV 峰强度较弱,?UV 峰 的半高宽很小,?表明用 ALD 生长的 ZnO 薄膜缺陷 很少、质量良好. 由PL 谱结果可知,?相对于没有引入 Al 纳米 颗粒的样品而言,?引入 Al 纳米颗粒后,?在ZnO 的 近带边发光 380?nm 附近处,?PL 峰积分强度增强 了1.91 倍,?520?nm 附近处缺陷峰积分强度增强了 1.27 倍,?同时 380?nm 附近的 UV 峰发生了轻微红移. 为了验证 ZnO 带边发光峰的增强确实是由于 Al 纳米颗粒表面等离子体与 ZnO 的激子发生强 烈的相互作用引起的,?我们在相同的实验条件下, 在透明的蓝宝石衬底上制备同样的 Al 纳米颗粒阵 列,?测试其对应的吸收谱,?如图