一種增強ZnO微米線/納米線紫外發光強度的方法
【技術領域】
[0001]本發明是采用5^11^02復合基底，增強ZnO微米線和納米線的紫外發光強度的一種設計方案，制備工藝及檢測技術，復合基底中的Au薄膜厚度為60?70nm，SiCV薄膜厚度為5?10nm。本發明促使基于ZnO微納結構的光電系統和發光器件在半導體技術，生物醫學，能源環境等領域的應用。
【背景技術】
[0002]氧化鋅(ZnO)是六方纖鋅礦結構的直接寬帶隙半導體，禁帶寬度為3.37eV，對應紫外發光波段，激子束縛能高達60meV。ZnO納米線的制備工藝簡單，成本低，具有強的激子效應。基于ZnO納米線的功能器件，如納米激光器，光電子探測器，場效應管，生物傳感器，光催化，太陽能電池等已成為光電子領域研宄的熱點材料，具有重要應用并顯示出廣泛的應用前景。
[0003]ZnO材料在生長中容易產生氧空位等晶體缺陷，使其輻射躍迀幾率和發光性能降低。如何提高其發光效率是應用中亟待解決的問題。通過改進材料的結構和工藝，可提高ZnO材料/器件的質量和發光效率，但受到材料本身能帶結構，以及生長技術和襯底等限制，難以使ZnO的發光效率大幅度提高。
[0004]近年來，人們開始嘗試用金屬表面等離子激元(Surface pIasmonpolarit1n, SPP)耦合增強光發射的特性，增強半導體發光材料的光發射效率。SPP是金屬表面的自由電子在光或電子福照下發生集體振蕩后，與光波電磁場之間的相互作用。利用金屬表面等離激元的局域場及耦合效應，可提高半導體發光中心的光子態密度，增強半導體微納結構的局域電磁場，提高材料的輻射躍迀幾率。因此，采用SPP結構已成為增強半導體材料的光發射，以及改變半導體材料的能帶結構/波長的有效手段，引起人們極大的興趣和廣泛的關注。
[0005]根據文獻報道，利用Au和Ag等貴金屬的局域表面等離子體(包括納米顆粒，島狀，多孔狀及光柵狀薄膜)的共振耦合，可增強ZnO薄膜和納米線陣列，GaAs單量子，InGaN量子阱，Si量子點，LED及肖特基二極管的熒光或電致發光強度，以及調制CdS等納米線的波長。
[0006]為避免發光半導體與Au，Ag，Pt，Cu等貴金屬SPP結構因距離太近造成能量轉移淬滅，可以在半導體與金屬膜SPP之間加入隔離層，如半導體材料GaN，有機材料PMMA，或介電材料3102等，使載流子在介電層和半導體微納結構的界面積累，從而進一步增強金屬SPP結構的自由電子與光子的相互作用，形成金屬表面等離激元的高局域場及強耦合，產生共振，增強半導體材料的光發射性能。
【發明內容】
[0007]本發明制備一種3^11-5;[02復合基底，增強ZnO微米線和納米線發光強度的設計方案和制備方法。
[0008]一種增強ZnO微米線/納米線紫外發光強度的方法，其特征在于，按照以下步驟進行:
[0009]一.襯底的清洗:采用單晶硅片為復合基底中的襯底，分別采用丙酮和乙醇進行超聲波清洗；
[0010]二.Au薄膜的制備:采用磁控派射技術，在Si襯底上生長一層厚度為60?70nm的Au膜；
[0011 ] 三.3;102介質層的制備:在Au膜上生長一層S1 2薄膜做為介質層，得到S1-Au-S12復合基底，S12薄膜厚度為5?10nm ；
[0012]四.ZnO納米線的選用:采用具有〈0001〉取向的ZnO納米線或微米線，直徑分別為I?3 μ m和200?500nm，長度為20?600 μ m ；
[0013]五.將ZnO微米線/納米線放入乙醇溶液或蒸餾水中，經超聲波分散3?5min后，用滴管滴在S1-Au-S12復合基底上。
[0014]進一步，SiCV薄膜的厚度為5?lOOnm。厚度為5?1nm時，得到最強的紫外發光增強效果。
[0015]進一步，激發ZnO納米線的紫外發光峰，加速電壓為3?30kV，其中加速電壓為1kV時，得到最強的紫外發光增強效果。
[0016]進一步，激發ZnO微米線的紫外發光峰，加速電壓為3?30kV，其中加速電壓為15kV時，得到最強的紫外發光增強效果。
[0017]采用掃描電鏡(SEM)中配置的陰極熒光譜儀(CL)，檢驗S1-Au-S12復合基底對ZnO微米線/納米線的紫外光的增強效果，SEM的入射電子束加速電壓為3?30kV，入射電子流為1(Γ8?ΙΟ,Α，工作距離為12.5?13mm，放大倍率為4000 X?20，000 X?，物鏡光闌為40?100 μ m，電流束斑為3?5 ;CL譜儀的光電倍增管探測器(PMT)電壓為500?1500V,熒光探測波長為200?960nm，衍射光柵為1200mm/1，狹縫為3?5mm，譜儀分辨率為
0.66nm ;采用上述SEM和CL測試參數，可以激發納米線/微米線產生強的輻射躍迀幾率，輻射發光和高的探測效率，其中，當S12厚度為5?1nm的復合基底上的ZnO微米線和納米線的紫外發光強度，比無復合基體的發光強度明顯增加，5nm的復合基底上的ZnO微米線和納米線的紫外發光強度分別增加了 5倍和20倍；
【附圖說明】
[0018]圖1是由步驟一到步驟四制備出的3;^11-5;[02復合基底，及在其上沉積的ZnO微米線/納米線的示意圖，其中Au薄膜厚度為60?70nm，S12薄膜厚度為5?lOOnm。ZnO微米線的直徑為I?3 μ m，ZnO納米線直徑為200?500nm，微米線和納米線的長度為20?600 μ m ；
[0019]圖2采用的掃描電鏡(SEM)與陰極熒光譜儀(CL)測試系統(SEM-CL)示意圖。圖2中，I一電子束，2一電磁透鏡，3一樣品室，4一樣品臺，5—樣品，6—陰極焚光譜儀。
[0020]圖3是放置在S1-Au-S12復合基底上的ZnO微米線和納米線的掃描電鏡二次電子(SE)像和相對應的陰極熒光(CL)像。圖3 (a)和(b)是直徑為2.48 μ m的SE像和CL像，(c)和(d)是直徑為500nm的SE像和CL像。
[0021]圖4比較了放置在3^11^02復合基底上和單晶硅襯底上的300nm-Zn0納米線的陰極熒光譜。圖5比較了放置在3^11^02復合基底上和單晶硅襯底上的1.6 μπι-ΖηΟ微米線的陰極熒光譜。
[0022]圖6是采用不同的SEM入射電子束能量，激發300nm-Zn0納米線的紫外發光峰。
[0023]圖7是采用不同的SEM入射電子束能量，激發1.6 ym-ZnO微米線的紫外發光峰。
【具體實施方式】
[0024]—.襯底的清洗:采用〈100〉取向的η-型單晶硅片為復合基底中的襯底，分別采用丙酮和乙醇，進行超聲波清洗各5min ；
[0025]二.Au薄膜的制備:采用磁控派射技術，在Si襯底上生長一層厚度為60?70nm的Au膜，濺射功率為250W，速率為0.46nm/s、真空度為lOmtorr，Ar氣流量為40scum ；
[0026]三、S12介質層的制備:采用PECVD技術，在Au膜上再生長一層S1 2薄膜做為介質層，得到S1-Au-S12復合基底，S1 2薄膜厚度分別為5nm，10nm，20nm和10nm厚。
[0027]四、ZnO納米線的選用:采用具有〈0001〉取向的ZnO納米線和微米線，直徑分別為I?3 μ m和200?500nm，長度為20?600 μ m ；
[0028]五、