氧化锌微米柱阵列的缺陷及发光性质研究

发布时间：2018-11-26 11:17

【摘要】：短波长半导体的发光对实现新一代半导体照明、紫外通信和光存储等有着重要意义,氧化锌作为一种禁带宽度为3.37 eV的直接带隙半导体,拥有远超室温的激子束缚能60 meV,是制备短波长光电器件的优异材料。随着氧化锌基功能器件走向应用,人们对氧化锌微纳结构的性能调控提出了更高的要求,这就需要我们对氧化锌的可控制备和发光调控展开更深入的系统性研究,然而氧化锌中的本征缺陷及其发光机理一直存在诸多争议,利用金属沉积对发光的调制作用亦尚有许多未明之处。有鉴于此,我们从水热法制备的氧化锌微米柱阵列入手,紧紧围绕氧化锌本征缺陷,着力研究了氧化锌的本征缺陷类型、发光机理、发光增强等方面,主要内容包括:1.研究了不同温度和气氛的退火条件对氧化锌微米柱阵列光致发光(Photoluminescence,PL)性能的影响,并用变激发波长PL谱的测试方法研究了缺陷发光中光生载流子的复合路径,发现黄橙光来自导带电子与氧间隙的辐射复合,绿光峰来自导带电子与氧空位的辐射复合。还原性氢气气氛退火能够减少氧间隙,增强氧化锌带边发光并使之蓝移;含氧气氛的退火会引入氧间隙,而900℃高温退火无论气氛中是否含氧都将在氧化锌晶格中引入氧空位,因而我们能够通过选择退火气氛和温度达到调控缺陷类型的目的。2.揭示了水热法生长氧化锌使用的两种最常见前驱液:醋酸锌和硝酸锌对所得氧化锌形貌、发光特性和本征缺陷类型的影响。实验发现由于醋酸根离子在Zn2+极性面的吸附作用阻碍了溶液中锌离子基团在c轴的沉积,使得A-ZnO的纵向生长被抑制,和N-ZnO相比有更小的长径比和更多的锌空位。并且通过A-ZnO在光致发光谱中来自锌空位的470 - 500nm的蓝绿光带,电子顺磁共振谱中g= 1.96的信号和X射线光电子能谱得出的锌氧晶格原子比,佐证了A-ZnO中的锌空位的存在,加之N-ZnO在各种气氛退火后均展现出的黄橙光发射,得出水热法中醋酸锌前驱液引入本征锌空位,硝酸锌前驱液引入本征氧间隙的结论。3.采用不同金属对水热法生长得到的退火前后的氧化锌进行表面修饰,调控氧化锌的光致发光性能,并给出发光性能改变的不同原因。实验发现在两种氧化锌表面沉积钛都会由于欧姆接触电子转移使得氧化锌带边发光和缺陷发光同时增强;沉积金的氧化锌发光增强的波段取决于金与氧化锌的接触势垒,形成肖特基势垒的Au/ZnO界面阻止了电子的转移但能将金的表面等离激元共振以光子形式发射,得到增强的绿光带,而氧化锌高温退火后产生的缺陷会降低Au/ZnO接触势垒,实现金中高能级电子到氧化锌导带的电子转移,增强氧化锌的带边发射;而沉积铝只能使高温退火后的氧化锌的带边发射大大增强且蓝移,缺陷发光完全被抑制。4.利用低温、变温光致发光谱,研究了铝的表面等离激元对氧化锌带边发光增强作用的机理。发现铝的表面等离激元与氧化锌中结合能更小、局域化程度更低的激子的耦合程度更高,沉积铝后带边发光增强幅度随温度升高而增大,且呈现负温度淬灭效应。通过带边发射对温度依赖关系的拟合结果分析了沉积铝对氧化锌非辐射复合激活能的提升作用,提出铝等离激元与氧化锌带边发光耦合后发射光子这一新的辐射复合通路的激活能,解释了沉积铝对氧化锌光致发光性能的影响机理。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304.21

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