氧化鋅微米柱陣列的缺陷及發(fā)光性質研究.pdf

1、短波長半導體的發(fā)光對實現新一代半導體照明、紫外通信和光存儲等有著重要意義，氧化鋅作為一種禁帶寬度為3.37eV的直接帶隙半導體，擁有遠超室溫的激子束縛能60meV，是制備短波長光電器件的優(yōu)異材料。隨著氧化鋅基功能器件走向應用，人們對氧化鋅微納結構的性能調控提出了更高的要求，這就需要我們對氧化鋅的可控制備和發(fā)光調控展開更深入的系統(tǒng)性研究，然而氧化鋅中的本征缺陷及其發(fā)光機理一直存在諸多爭議，利用金屬沉積對發(fā)光的調制作用亦尚有許多未明之處。<

2、br>　　有鑒于此，我們從水熱法制備的氧化鋅微米柱陣列入手，緊緊圍繞氧化鋅本征缺陷，著力研究了氧化鋅的本征缺陷類型、發(fā)光機理、發(fā)光增強等方面，主要內容包括：
　　1.研究了不同溫度和氣氛的退火條件對氧化鋅微米柱陣列光致發(fā)光（Photoluminescence，PL）性能的影響，并用變激發(fā)波長PL譜的測試方法研究了缺陷發(fā)光中光生載流子的復合路徑，發(fā)現黃橙光來自導帶電子與氧間隙的輻射復合，綠光峰來自導帶電子與氧空位的輻射復合。還原性氫

3、氣氣氛退火能夠減少氧間隙，增強氧化鋅帶邊發(fā)光并使之藍移；含氧氣氛的退火會引入氧間隙，而900℃高溫退火無論氣氛中是否含氧都將在氧化鋅晶格中引入氧空位，因而我們能夠通過選擇退火氣氛和溫度達到調控缺陷類型的目的。
　　2.揭示了水熱法生長氧化鋅使用的兩種最常見前驅液：醋酸鋅和硝酸鋅對所得氧化鋅形貌、發(fā)光特性和本征缺陷類型的影響。實驗發(fā)現由于醋酸根離子在Zn2+極性面的吸附作用阻礙了溶液中鋅離子基團在c軸的沉積，使得A-ZnO的縱向生長

4、被抑制，和N-ZnO相比有更小的長徑比和更多的鋅空位。并且通過A-ZnO在光致發(fā)光譜中來自鋅空位的470–500nm的藍綠光帶，電子順磁共振譜中g=1.96的信號和X射線光電子能譜得出的鋅氧晶格原子比，佐證了A-ZnO中的鋅空位的存在，加之N-ZnO在各種氣氛退火后均展現出的黃橙光發(fā)射，得出水熱法中醋酸鋅前驅液引入本征鋅空位，硝酸鋅前驅液引入本征氧間隙的結論。
　　3.采用不同金屬對水熱法生長得到的退火前后的氧化鋅進行表面修飾，調

5、控氧化鋅的光致發(fā)光性能，并給出發(fā)光性能改變的不同原因。實驗發(fā)現在兩種氧化鋅表面沉積鈦都會由于歐姆接觸電子轉移使得氧化鋅帶邊發(fā)光和缺陷發(fā)光同時增強；沉積金的氧化鋅發(fā)光增強的波段取決于金與氧化鋅的接觸勢壘，形成肖特基勢壘的Au/ZnO界面阻止了電子的轉移但能將金的表面等離激元共振以光子形式發(fā)射，得到增強的綠光帶，而氧化鋅高溫退火后產生的缺陷會降低Au/ZnO接觸勢壘，實現金中高能級電子到氧化鋅導帶的電子轉移，增強氧化鋅的帶邊發(fā)射；而沉積鋁只

6、能使高溫退火后的氧化鋅的帶邊發(fā)射大大增強且藍移，缺陷發(fā)光完全被抑制。
　　4.利用低溫、變溫光致發(fā)光譜，研究了鋁的表面等離激元對氧化鋅帶邊發(fā)光增強作用的機理。發(fā)現鋁的表面等離激元與氧化鋅中結合能更小、局域化程度更低的激子的耦合程度更高，沉積鋁后帶邊發(fā)光增強幅度隨溫度升高而增大，且呈現負溫度淬滅效應。通過帶邊發(fā)射對溫度依賴關系的擬合結果分析了沉積鋁對氧化鋅非輻射復合激活能的提升作用，提出鋁等離激元與氧化鋅帶邊發(fā)光耦合后發(fā)射光子這一新