表面等离子体对纳米结构ZnO膜光致发光性能的调制

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。

目录

文摘

英文文摘

声明

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

小结：

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

本章小结：

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