表面等离子体对纳米结构ZnO膜光致发光性能的调制

论文摘要

氧化锌（ZnO）是直接带隙宽禁带化合物半导体材料,其禁带宽度为3.37 eV,在室温下拥有60 meV的激子束缚能,具有高的热稳定性和卓越的光学性质,因此,ZnO成为继GaN之后研究的一个新热点。尽管ZnO薄膜的研究在实验和理论方面都取得了可喜的进展,但是表面等离子体对ZnO薄膜发光的调制机制有待于进一步的研究。在本论文中,用化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长纳米结构ZnO薄膜,在纳米结构ZnO薄膜表面上利用真空直流溅射仪蒸镀Au纳米颗粒。ZnO薄膜晶体结构用X-射线衍射仪（XRD）表征,结果表明制备的ZnO为纤锌矿六角形结构,和沿c轴择向生长特性。样品的表面形貌和表面粗糙度分别用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）测定,SEM测定样品的表面形貌,AFM测试确定样品的表面粗糙度。通过对ZnO薄膜的光致发光（PL）谱的荧光光谱仪测试,发现多数未蒸镀Au的ZnO薄膜PL谱由两个发射峰组成,一个是波长约380 nm的近带边发射,另一个是约500 nm深能级发射。通常,与可见光发射强度相比,紫外发射的强度相对较弱。而蒸镀Au后的ZnO薄膜PL谱也由紫外发射带和可见光发射带组成,但是,它们的发光强度发生了很大变化。在不同温度下制备的ZnO样品蒸镀Au以后的紫外发射强度和未蒸镀Au的相比,紫外发射强度的增强倍数不同。同时,蒸镀Au前后ZnO薄膜的PL谱中的可见光发射得到不同程度的抑制。关于ZnO薄膜的光致发光的显著的改变,物理机制是入射光的电场和Au纳米颗粒表面的电子耦合,在Au和ZnO的界面处产生了表面等离子体,Au纳米颗粒附近的电场可强烈增强,所以,激发源强度的剧增造成激发过程中激发速率的提高。对于缺陷发光的抑制,可以认为借助金纳米颗粒,缺陷态上的电子被转移到导带上,电荷的转移引起导带电子密度的增加,最终造成紫外发射的增强,使缺陷态电子密度的下降导致可见光发射的抑制。表面蒸镀Au纳米颗粒的ZnO膜的吸收谱用紫外-可见-近红外分光光度计（UV-VIS-NIR spectrophotometer）测试,实验结果显示在可见光区～500 nm处出现强的吸收峰,此吸收峰由Au纳米颗粒的表面等离子体共振吸收所致。用拉曼光谱仪测试了ZnO的拉曼散射,确定分子的振动模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 基本概念
• 1.1.1 发光
• 1.1.2 光致发光
• 1.1.3 半导体的光吸收
• 1.1.4 半导体发光
• 1.1.5 半导体的复合
• 1.1.6 晶体的光散射
• 1.1.7 吸收光谱
• 1.1.8 荧光光谱
• 1.2 等离子体基本原理
• 1.3 ZnO 的晶体结构
• 1.4 ZnO 的基本性质
• 1.5 ZnO 的光致发光机理研究
• 1.6 ZnO 发光调制的物理机制的研究
• 1.7 ZnO 研究中存在的问题
• 1.8 本论文的主要研究工作
• 参考文献
• 第二章 ZnO 纳米结构薄膜的表征手段和原理
• 2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.4 紫外-可见-近红外分光光度计
• 2.5 荧光光谱仪
• 2.6 拉曼光谱分析
• 参考文献
• 第三章 局域表面等离子体对镀金的ZnO 薄膜光致发光性质的影响
• 3.1 ZnO 薄膜的实验室制备
• 3.1.1 衬底的清洗
• 3.1.2 药品的称量
• 3.1.3 药品和衬底的放置
• 3.1.4 样品的制备
• 3.1.5 实验参数的设置
• 3.2. 实验结果和讨论
• 3.2.1 利用X 射线衍射仪测量ZnO 薄膜的晶体结构
• 3.2.2 用扫描电子显微镜（SEM）对ZnO 薄膜的表面形貌的测量
• 3.2.3 用原子力显微镜（AFM）对ZnO 薄膜的表面的粗糙度的测量
• 3.2.4 未镀金的纯ZnO 薄膜的紫外-可见吸收光谱测量与分析
• 3.2.5 ZnO 薄膜的光致发光谱
• 参考文献
• 第四章 不同ZnO 纳米结构膜的光致发光的表面等离子体修饰
• 4.1 实验
• 4.1.1 ZnO 纳米结构薄膜的制备
• 4.1.2 ZnO 样品的性质的表征
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 XRD 对晶体结构的测定结果
• 4.2.2 SEM 测试的ZnO 的表面形貌
• 4.2.3 ZnO 纳米结构膜的光致发光谱测量与分析
• 4.2.4 镀Au 的ZnO 纳米结构膜的紫外-可见吸收光谱
• 4.2.5 样品的拉曼光谱测试结果
• 参考文献
• 第五章 工作总结
• 攻读硕士学位期间发表论文的目录
• 致谢