Verbeterde UV-emissie van ZnO op arrays van zilveren nanodeeltjes door het Surface Plasmon Resonance-effect

Resultaten en discussie

Alvorens de experimenten uit te voeren, werden numerieke berekeningen met de eindige-verschil tijdsdomein (FDTD) -methode uitgevoerd om het effect van verschillende diameters en ruimten van Ag NP-arrays op de elektrische veldverdeling en oppervlakteplasmonresonantiegolflengten te analyseren. De elektrische veldverdelingen en de verstrooiingsdoorsnede (Q _scat ) spectra van Ag NP-arrays werden gesimuleerd onder een total-field scatter-field (TFSF) lichtbron gepolariseerd langs de z -as. De analysegroep werd buiten de optische bron geplaatst om de verstrooiende dwarsdoorsnede van het licht te volgen. De optische parameters van Ag werden geselecteerd als het CRC-model uit de materiaaldatabase van de Lumerical FDTD-oplossingensoftware. De gesimuleerde ruimtelijke verdeling van het elektrische veld in het monster 4 met een diameter van 40 nm en een ruimte van 100 nm wordt getoond in figuur 2a. Het lokale elektromagnetische veld rond de Ag NP's was ongeveer 3,5 keer verbeterd, wat leidde tot een sterke koppeling tussen de excitonen in ZnO-films en de SP's in Ag NP-arrays, en resulterend in een verbetering van de lichtemissie. Afbeelding 2b toont de genormaliseerde Q _scat spectra van Ag NP-arrays met verschillende diameters en ruimtes. De oppervlakte-plasmonresonantiegolflengten van Ag NP-arrays van monster 2 tot monster 6 zijn respectievelijk 379, 399, 381, 402 en 408 nm. Gezien de NBE-emissie van ZnO-films rond 383 nm, moeten de geoptimaliseerde diameter en ruimte van Ag NP-arrays 40 en 100 nm zijn in monster 4. Door de grootte van Ag NP-arrays te vergroten van monster 2 naar 3, of van monster 4 naar 5 , maakt de oppervlakte-plasmonresonantiegolflengte een roodverschuiving onder dezelfde ruimteconditie. Door de ruimte van Ag NP-arrays van monster 3 naar 4 te vergroten, maakt de oppervlakteplasmonresonantiegolflengte een blauwverschuiving onder dezelfde diameterconditie. Daarom hangt de oppervlakte-plasmonresonantiegolflengte van de Ag NP-arrays af van zowel de diameter als de ruimte van Ag NP-arrays.

een Gesimuleerde ruimtelijke elektrische veldverdeling in het monster 4 met een diameter van 40 nm en een ruimte van 100 nm. b Genormaliseerde verstrooiingsdwarsdoorsnedespectra van Ag NP-arrays met verschillende diameters en ruimtes

In Fig. 3 worden de overgedragen AAO-sjablonen en bijbehorende Ag NP-arrays gedemonstreerd in de SEM-afbeeldingen. Zoals weergegeven in Fig. 3a, c, e, g, i, worden de gemiddelde diameters van AAO-sjablonen van monster 2 tot monster 6 gemeten als 33, 38, 40, 61 en 71 nm, en de bijbehorende gemiddelde ruimten van AAO-sjablonen zijn 63, 61, 100, 101, 124 nm, wat overeenkomt met de ontworpen diameters en ruimten in tabel 1. Zoals weergegeven in Fig. 3b, d, f, h, j, zijn de gemiddelde diameters van Ag NP-arrays uit het monster 2 tot en met monster 6 worden gemeten als 8, 37, 46, 64 en 79 nm, en de overeenkomstige gemiddelde ruimten van Ag NP-arrays zijn 59, 62, 99, 102, 122 nm. Wanneer de diameter van het AAO-sjabloon zo klein is als 33 nm, is het moeilijk om periodieke Ag NP-arrays te vormen. Wat betreft de diameters van AAO-templates variërend van 40 tot 60 nm in monster 3, 4 en 5, zijn de diameters van Ag NP-arrays in overeenstemming met die van AAO-templates. Wanneer de diameter van de AAO-sjabloon zo groot is als 71 nm, is de diameter van gesputterde Ag NP-arrays iets groter dan die van AAO-sjabloon, wat mogelijk het gevolg is van de Ag NP-dispersie bij het verwijderen van de Kapton-tape. Over het algemeen komen de gemeten Ag NP-arrayruimten goed overeen met de AAO-sjabloonruimten en in overeenstemming met de ontworpen afmetingen. En de verkregen periodieke Ag NP-arrays kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd door de bijbehorende AAO-sjablonen toe te passen.

SEM-afbeeldingen van overgedragen AAO-sjablonen van a voorbeeld 2, c voorbeeld 3, e monster 4, g voorbeeld 5, ik monster 6 en bijbehorende Ag NP-arrays van b voorbeeld 2, d voorbeeld 3, f voorbeeld 4, u voorbeeld 5, j voorbeeld 6

Figuur 4 toont de PL-spectra van verschillende monsters bij kamertemperatuur. Zoals getoond, worden een dominante piek bij 383 nm en een zwakke piek bij ongeveer 520 nm verkregen in de PL-spectra, die respectievelijk worden toegeschreven aan de near band-edge (NBE) emissie en diepe emissie van ZnO. De emissie op diep niveau werd toegeschreven aan de zuurstofvacatures [29]. De intensiteitsverhouding tussen de NBE-piek en de diepe piek werd berekend op 14 in het monster 1 zonder Ag NP-arrays, wat aangeeft dat ZnO-films die door ALD zijn gekweekt, van goede kwaliteit zijn. De NBE-piekintensiteiten met Ag NP-arrays zijn hoger dan die zonder Ag NP-arrays, wat wordt toegeschreven aan de koppeling tussen de excitonen in ZnO-films en de SP's in Ag NP-arrays, waardoor de lokale elektromagnetische velden worden versterkt en de spontane emissiesnelheid van ZnO toeneemt . Van de PL-curven van monsters met verschillende diameters en tussenruimten is de NBE-piekintensiteit in monster 4 met een diameter van 40 nm en een ruimte van 100 nm het sterkst, wat twee keer groter is dan die van monster 1 zonder Ag NP-arrays, wat aangeeft dat Ag NP-arrays met een diameter van 40 nm en een ruimte van 100 nm het optimum zijn om de lichtemissie van ZnO te verbeteren, wat in overeenstemming is met de bovenstaande simulatieresultaten. Bovendien was de diepe piek bij ongeveer 520 nm bijna hetzelfde voor alle monsters, wat leidde tot een hoge intensiteitsverhouding van 28 tussen de NBE-piek en de diepe piek in het monster 4.

PL-spectra van monsters met verschillende diameters en ruimtes bij kamertemperatuur

Om het mechanisme van de verbeterde UV-lichtemissie verder te analyseren door Ag NP-arrays toe te voegen, werden de in de tijd opgeloste PL-vervallen van monster 1 zonder Ag NP-arrays en monster 2 met Ag NP-arrays uitgevoerd bij kamertemperatuur in Fig. 5. De vervalcurven zijn uitgerust met een exponentieel vervalmodel om de vervallevensduren te verkrijgen (τ ) met de vergelijking \(I\left(t\right)={I}_{0}\mathrm{exp}(-t/\tau )\). De vervallevensduren van monster 1 zonder Ag NP-arrays en monster 2 met Ag NP-arrays worden afgeleid als respectievelijk 1,49 en 1,24 ns. De verminderde levensduur van het verval van 1,49 tot 1,24 ns duidt op een sneller vervalproces in de ZnO met Ag NP-arrays, wat kan worden toegeschreven aan de verbeterde spontane emissiesnelheid door Ag NP-arrays toe te voegen, waardoor de koppeling tussen de SP's in Ag NP-arrays en de excitonen wordt verbeterd in ZnO.

Tijdsopgeloste PL-verval van monster 1 zonder Ag NP-arrays en monster 2 met Ag NP-arrays bij 380 nm

Om de verbetering van de UV-lichtemissie verder uit te leggen, is het energiebanddiagram van de Ag/Al₂ O₃ /ZnO-structuur wordt getoond in Fig. 6. De werkfunctie van Ag is 4,26 eV en de elektronenaffiniteit van ZnO is 4,35 eV, wat leidt tot een neerwaartse buiging van de geleidingsband van ZnO nabij de Al₂ O₃ /ZnO-interface. De 10-nm Al₂ O₃ laag werd aangebracht om het niet-stralingsenergieoverdrachtsproces van het Fӧrster-type van halfgeleider naar metaal te blokkeren [28]. Vanwege de oppervlakteplasmonen die worden gegenereerd tussen het metaal en het diëlektrische medium bij de Ag/Al₂ O₃ interface, wordt het lokale elektrische veld nabij Ag NP-arrays verbeterd, waardoor de excitatie-energiedichtheid van invallend licht en het aantal geabsorbeerde fotonen binnen de koppelingsafstand toeneemt. Tegelijkertijd bevordert het verbeterde lokale elektrische veld ook de oppervlakteplasmonen van Ag NP's die koppelen met excitonen van ZnO, wat de spontane emissiesnelheid zal verbeteren en de fotoluminescentie-intensiteit van ZnO zal verbeteren. Bovendien kan er een ander proces zijn waarbij elektronen in de Ag NP-arrays naar het SPR-niveau springen en vervolgens naar de geleidingsband van de ZnO [28] gaan. En de verhoogde elektronendichtheid in de geleidingsband zal ook de NBE-emissie van ZnO verbeteren.

Schematisch energiebanddiagram van Ag/Al₂ O₃ /ZnO-structuur