【摘 要】
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ZnO作为一种典型的第三代半导体,凭借其3.37 e V的禁带宽度和60 me V的室温激子束缚能,成为非常有潜力的短波长半导体发光器件的候选材料。目前由于低阻、稳定的p-ZnO难以实现,严重阻碍了其实用化进程。因此,n-ZnO/p-Ga N异质结发光二极管(LED)器件被广泛研究。为了提高异质结器件的发光效率,通常采用具有良好结晶质量的低维纳米结构材料作为有源层,其中一维ZnO纳米棒阵列(ZnO
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ZnO作为一种典型的第三代半导体,凭借其3.37 e V的禁带宽度和60 me V的室温激子束缚能,成为非常有潜力的短波长半导体发光器件的候选材料。目前由于低阻、稳定的p-ZnO难以实现,严重阻碍了其实用化进程。因此,n-ZnO/p-Ga N异质结发光二极管(LED)器件被广泛研究。为了提高异质结器件的发光效率,通常采用具有良好结晶质量的低维纳米结构材料作为有源层,其中一维ZnO纳米棒阵列(ZnO NRA)由于具有优异的光电传导性能受到人们的关注,伴随着研究的深入也出现了新的问题,由于纳米结构具有大的比表面积导致器件性能难以控制,特别是ZnO NRA的发光变得更加复杂。本文为了探究一维ZnO NRA及其器件的发光特性,从ZnO NRA的发光机理、ZnO NRA的器件结构以及Ag纳米颗粒(AgNPs)的修饰对增强发光影响等方面展开了研究,主要内容如下:(1)采用溶液法制备ZnO NRA,并系统地研究了衬底、晶种层种类、晶种层厚度等因素对ZnO NRA生长的影响,获得了较为成熟的ZnO NRA制备工艺。在c-Al2O3和p-Ga N衬底上,通过脉冲激光沉积(PLD)法制备Mg ZnO和ZnO/MgO双层薄膜作为晶种层,成功制备出具有高致密度和良好垂直取向性的ZnO NRA;通过变温光致发光(PL)光谱研究了ZnO NRA发光起因,将ZnO NRA的近带边发射(NBE)归因于自由激子相关的复合,而位于可见光区的发射(DE)被认为与不同价态的氧空位(VO)相关的缺陷有关,并发现了这些不同价态的VO随着环境温度变化可以相互转化,为ZnO NRA的发光特性研究提供了丰富的实验基础;分析了ZnO NRA的形貌与其光致发光(PL)光谱的关系,发现可以通过控制形貌来调节ZnO NRA的NBE和DE的相对发射强度,为调控发光器件的性能提供了新的途径。(2)根据能带工程选择ZnO/MgO双层结构作为晶种层和限制层,设计了ZnO NRA/ZnO/MgO/p-Ga N异质结发光器件,选择In作为ZnO NRA的电极、Au/Ni电极作为p-Ga N的电极,开展了器件电极制备工艺的研究,获得了良好的欧姆接触;利用直流激发ZnO NRA/ZnO/MgO/p-Ga N异质结器件,在室温正向偏压下获得了来自ZnO NRA缺陷发光为主的电致发光,且该器件随偏压变化色度可调;系统分析了器件的发光机理,认为在电场作用下ZnO NRA缺陷发光来源于不同价态的VO相关的复合,由于在纳米棒表面吸附氧的影响,ZnO纳米棒表面和体内的VO会呈现不同的价态,随着偏压和环境温度等条件变化VO的带电状态发生转变,从而导致发光峰发生移动。(3)开展了AgNPs修饰对ZnO NRA发光性能影响的研究,发现热蒸发方法制备的AgNPs偶极子共振峰严格受其粒径和粒径分布的调控,而四极共振在AgNPs粒径较大的情况下更容易发生;通过在ZnO NRA上蒸镀不同厚度的Ag薄膜,发现ZnO NRA的NBE可以和AgNPs的四极共振峰产生共振增强,DE可以和AgNPs的偶极子共振峰产生共振,且增强的幅度与它们之间的峰位匹配程度有关。通过微波炉加热法成功制备AgNPs溶液,研究了反应液配比、反应时间以及加热功率对AgNPs溶液吸收光谱的影响,并成功利用激光诱导制备出稳定性高、分散性好的AgNPs,颗粒尺寸均匀分布在20 nm左右;探究了ZnO NRA的AgNPs旋涂修饰工艺,并利用生物合成法制备的AgNPs修饰获得ZnO NRA的NBE发光增强。
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