Au表面等离激元调控ZnO单晶的PL性能的研究

刘进文

（北京工业大学，北京，100124）

0 引言

氧化锌[1-2]（ZnO）是一种重要的II-V族氧化物，属于第三代半导体材料，禁带宽度（Eg=3.37eV）非常高，而且束缚激子能高达60meV，远高于室温电离化能(26meV)，在室温下，激子可以在ZnO中稳定存在，与其他半导体材料相比，ZnO材料是一种更适合在室温或者更高温度下工作的紫外光电材料，在光电探测方面有巨大的应用，与氮化镓（GaN）相比，制备工艺简单，生长温度低，成本低，对于未来的推广应用具有极大的优势。由于它具有许多优异的物理化学性质，在光电导，压电，光波导，发光器件，激光器，透明导电膜，太阳能，声光器件等方面有广泛的应用。目前，ZnO材料生长技术日趋完善，紫外发光性能还有待提升，缺陷发光在生长过程中不能完全有效地抑制。

表面等离激元[3]（surface plasmon，SP）近年来得到了广泛的研究，是一种介于金属和介质表面的一种电子共谐振荡。具有一系列优良的光学性质，包括对光的选择性散射和吸收，局域电场增强，拉曼表面增强光谱（SERS）等。金属纳米薄膜与介质的界面上激发的表面等离激元可以沿着薄膜向远处传播，称为传导的表面等离激元（PropagatingSurface Plasmon Polarition，SPP），金属纳米颗粒的自由电子震荡被束缚在金属粒子附近，称为局域表面等离激元（Localized Surface Plasmon，LSP）。表面等离激元在生物，化学，物理，能源，信息等方面都有非常广泛的应用。

本文中，我们研究了利用局域表面等离激元调控ZnO单晶块材的PL性能，实现紫外发光效率增强，同时抑制缺陷发光。

1 实验研究

本实验所用的ZnO单晶材料是从合肥科晶材料技术有限公司购买，生长方向是0001方向，尺寸规格为5mm×5mm×0.5mm，“Zn”面抛光。 在实验前，先后用丙酮、乙醇、去离子水分别单独超声清洗20分钟，用擦镜纸擦干后，测试样品的荧光光谱。接着，我们使用Au颗粒直流溅射仪，在不同的溅射时间下对ZnO单晶Zn面溅射Au颗粒。经过一系列探索实验，我们最终将直流溅射仪溅射电流设定为10mA，真空度设定为8Pa，研究不同的溅射的时间对于增强因子的影响，并且探索最大的增强因子。我们将溅射时间间隔设定为2s，研究溅射时间从2s～20s对于增强因子的影响。实验中使用Action SP2750型荧光光谱仪测量发光光谱，激发光源波长325nm的He-Cd激光，功率是10mW，扫谱范围是350nm～700nm，光谱分辨率：0.023nm，光谱精度：小于±2像元。在ZnO单晶镀膜前后分别测试其荧光光谱，控制积分时间相同。选取最佳的样品拍摄扫描电镜照片。本实验用到的扫描电镜是日立JEOLJSM 6500F型扫描电子显微镜，真空度小于10-7，分辨率为1.5nm，加速电压为0.5kV~30kV，放大倍率×10~×200000。

2 实验结果

在图1中，黑色曲线代表原始的ZnO单晶光致发光光谱，我们发现，ZnO单晶有两个发光带，一个是窄的紫外发光带（UVPL），在380nm附近，另一个是宽的黄绿光带（DL），大约在550nm-700nm之间。我们发现Au表面等离激元能够强烈的增强ZnO单晶的紫外发光，可见发光几乎完全被抑制。

图1 SP调控ZnO单晶PL性能图

3 分析讨论

对于金属纳米颗粒来说，局域表面等离激元的共振消光包括了局域表面等离激元共振散射和吸收，当发光中心与金属纳米结构距离较近时，并且与之局域表面等离激元发生共振吋，发光中心的能量会很快速转移给金属纳米颗粒。该金属纳米颗粒的散射和吸收决定了发光的增强和减弱。当金属纳米颗粒的散射截而较大吋，共振耦合能量将以辐射的形式发射出来进入自由空间，因此发光的强度将会得以增强。在ZnO表面，当激发产生表面等离激元以后，贵金属费米能级以下的电子会跃迁到费米能级上的SP带，如果该能带的能量高于ZnO的导带时，大量的电子会向ZnO转移，表面等离激元的能量会激发被ZnO界面处被氧空位缺陷束缚的电子到导带，因此，紫外发光得到了增强，同时缺陷发光得到了抑制。

局域表面等离激元共振增强荧光发光的机理可以总结为三方面：第一，激发速率的增强。表面等离子体能够通过加强荧光激发速率从而极大地增强荧光的发光信号。第二，电子-空穴复合速率的增加。第三，电子转移。而缺陷发光抑制则归结为缺陷能级大量电子转移到费米能级。

参考文献

[1]S. Barash,IOP PUBLISHING, 10（2009）013001.

[2]Ü. Özgür. Journal of Applied Physics，98（2005）041301.

[3]王振林 ,物理学进展 ,29（3）（2009）287-334.