納米Ag-ZnO復(fù)合材料的制備及熒光增強(qiáng)效應(yīng)的研究.pdf

1、ZnO為直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，且激子束縛能高達(dá)60meV，比室溫?zé)犭x化能26meV大很多。因此，與ZnSe(22meV)，ZnS(40meV)和GaN(25meV)相比，ZnO是一種合適的用于室溫或更高溫度下的紫外光發(fā)射材料。1996年，隨著第一篇關(guān)于ZnO微晶結(jié)構(gòu)薄膜在室溫下光泵紫外受激發(fā)射報(bào)道的發(fā)表，這種材料重新引起人們的注意，并迅速成為半導(dǎo)體激光器件研究的國(guó)際新熱點(diǎn)。但是在對(duì)ZnO的研究過(guò)程中，

2、泵浦閾值較高是限制ZnO作為紫外激光材料的一個(gè)難點(diǎn)。一些金屬納米顆粒(比如Ag納米顆粒)在外界光場(chǎng)的激發(fā)下，金屬顆粒表面能產(chǎn)生局域表面等離子體激元(LSPs)，這種局域表面等離子體的電場(chǎng)具有近場(chǎng)增強(qiáng)的性質(zhì)，其能量增強(qiáng)效果可達(dá)1014。因此，我們可以將金屬納米顆粒與ZnO結(jié)合，制備出復(fù)合薄膜，利用Ag納米顆粒的LSPs增強(qiáng)ZnO的發(fā)光強(qiáng)度，從而降低ZnO的泵浦閾值。 本論文的主體分兩個(gè)部分，第一部分關(guān)于ZnO/Ag復(fù)合薄膜材料的結(jié)

3、構(gòu)特性和發(fā)光性質(zhì)的研究；第二部分關(guān)于ZnO納米棒和納米Ag顆粒復(fù)合材料的發(fā)光性質(zhì)的研究。 1.ZnO/Ag復(fù)合薄膜的光學(xué)性質(zhì)的研究 利用射頻磁控濺射的方法在Si(111)襯底上依次鍍上Ag和ZnO薄膜，并將該復(fù)合薄膜在750度的空氣中退火一個(gè)小時(shí)。樣品的XRD和FESEM結(jié)果表明，Ag薄膜在退火過(guò)程中會(huì)團(tuán)聚成顆粒，并在ZnO薄膜中擴(kuò)散，從而導(dǎo)致復(fù)合薄膜中出現(xiàn)“孔洞”，這對(duì)ZnO的結(jié)晶造成一定的破壞，并且隨著Ag厚度的增加

4、，對(duì)ZnO結(jié)晶質(zhì)量的破壞就越嚴(yán)重。樣品的PL結(jié)果表明，復(fù)合薄膜ZnO/Ag(5nm)和ZnO/Ag(10nm)在退火后的發(fā)光強(qiáng)度較純ZnO薄膜在相同條件下退火后的發(fā)光強(qiáng)度有不同程度的增強(qiáng)，特別是ZnO/Ag(10nm)復(fù)合薄膜的帶邊發(fā)射強(qiáng)度為純ZnO的12.3倍。我們把這種增強(qiáng)歸結(jié)于Ag納米顆粒的局域表面等離子體(LSP)的作用。而對(duì)于那些發(fā)光減弱的復(fù)合薄膜樣品(ZnO/Ag(15nm)、ZnO/Ag(30nm)、ZnO/Ag(55nm

5、))，我們認(rèn)為Ag納米顆粒在擴(kuò)散過(guò)程中降低了ZnO的結(jié)晶質(zhì)量，從而使復(fù)合薄膜的帶邊發(fā)射減弱。因此，一方面，Ag納米顆粒的LSP具有增強(qiáng)ZnO的發(fā)光的作用，另一方面，Ag顆粒在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)降低ZnO的結(jié)晶質(zhì)量，使帶邊發(fā)射減弱，這兩者相互競(jìng)爭(zhēng)，從而最終決定復(fù)合薄膜的發(fā)光強(qiáng)度。 2.ZnO納米棒和Ag納米顆粒復(fù)合材料的光學(xué)性質(zhì) 利用水浴法在石英襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的ZnO納米棒，并在該納米棒的表面用射頻磁控濺射的方法鍍上40nm