金属Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光研究

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在过去的几十年中,表面等离子体已成为研究的热点。金属表面自由电子与入射光子相互作用产生沿金属表面传播的电子疏密波称之为金属表面等离子体。通过选择性光子吸收以及局域场增强效应,金属纳米颗粒的局域表面等离子体在光发射增强中具有广泛的应用。如今,已经有很多利用金属表面等离子体来增强发光二极管光出射效率的研究。氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高到60 meV,被认为是紫外发光器件的理想候选材料,在紫外发光领域应用前景广阔。由于ZnO的发光效率较低,限制了其商业化应用。相关研究表明,通过选择不同的金属纳米颗粒,例如铂、铝、银、金等,利用其局域表面等离共振特性可以增强ZnO紫外光致发光效率。本文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了50 nm金属Al薄膜,通过甲苯溶液及超声方法去除了聚苯乙烯球,得到了二维有序排列的金属Al纳米颗粒阵列;再采用原子层沉积法,在金属Al纳米颗粒阵列表面依次沉积15 nm氧化铝(Al2O3)缓冲层和200 nm ZnO薄膜,沉积温度为125℃。通过测试金属Al纳米颗粒阵列的吸收谱以及ZnO薄膜的光致发光谱,分析了金属Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO激子之间的共振耦合效应以及Al2O3缓冲层的作用。实验结果表明:引入金属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,Al2O3缓冲层能够避免淬灭作用。本文对金属Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光的机理进行了探讨,根据金属Al纳米颗粒吸收谱的结果可知,其共振峰的位置刚好与ZnO的近带边发光峰相吻合,同时结合ZnO表面形貌的原子力显微镜图,对于ZnO光致发光的增强比较偏向于金属Al纳米颗粒表面等离激元提高ZnO内量子效率的作用,即金属Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO激子之间的耦合效应。因此本文提供了一种成本低且有效的方法用来增强光电器件的发光效率。
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