納米Ag-ZnO復合材料的制備及熒光增強效應的研究.pdf

1、ZnO為直接帶隙的寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，且激子束縛能高達60meV，比室溫熱離化能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，隨著第一篇關于ZnO微晶結構薄膜在室溫下光泵紫外受激發(fā)射報道的發(fā)表，這種材料重新引起人們的注意，并迅速成為半導體激光器件研究的國際新熱點。但是在對ZnO的研究過程中，

2、泵浦閾值較高是限制ZnO作為紫外激光材料的一個難點。一些金屬納米顆粒(比如Ag納米顆粒)在外界光場的激發(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具有近場增強的性質(zhì)，其能量增強效果可達1014。因此，我們可以將金屬納米顆粒與ZnO結合，制備出復合薄膜，利用Ag納米顆粒的LSPs增強ZnO的發(fā)光強度，從而降低ZnO的泵浦閾值。 本論文的主體分兩個部分，第一部分關于ZnO/Ag復合薄膜材料的結

3、構特性和發(fā)光性質(zhì)的研究；第二部分關于ZnO納米棒和納米Ag顆粒復合材料的發(fā)光性質(zhì)的研究。 1.ZnO/Ag復合薄膜的光學性質(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，并將該復合薄膜在750度的空氣中退火一個小時。樣品的XRD和FESEM結果表明，Ag薄膜在退火過程中會團聚成顆粒，并在ZnO薄膜中擴散，從而導致復合薄膜中出現(xiàn)“孔洞”，這對ZnO的結晶造成一定的破壞，并且隨著Ag厚度的增加

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

5、))，我們認為Ag納米顆粒在擴散過程中降低了ZnO的結晶質(zhì)量，從而使復合薄膜的帶邊發(fā)射減弱。因此，一方面，Ag納米顆粒的LSP具有增強ZnO的發(fā)光的作用，另一方面，Ag顆粒在擴散過程中會降低ZnO的結晶質(zhì)量，使帶邊發(fā)射減弱，這兩者相互競爭，從而最終決定復合薄膜的發(fā)光強度。 2.ZnO納米棒和Ag納米顆粒復合材料的光學性質(zhì) 利用水浴法在石英襯底上生長出高質(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