稀土离子与Si注入ZnO晶体的荧光加强特性研究

Doping ZnO crystal by ion implantation is a very important method in recent exploration of fabricating ZnO-based light emitting and spintronics devices. The purpose of doping ZnO with extrinsic ions includes:modifying the electrical polarity in ZnO, doping rare earth(RE) ions in host material ZnO as luminescent centers and the incorporation of transition metal ions to change the magnetic properties of ZnO material etc. The efforts of using RE-doped ZnO as the visible and near-infrared light-emitting materials have been constantly conducted in recent years; However, few satisfactory results on luminescence properties of RE-doped ZnO was obtained till now. The main reason can be attributed to the difference on charge property of RE3 + and Zn2 + ions, which results in a low solubility and poor optical active property of RE ions in the ZnO crystal. These bring limitation to RE3 + luminescence efficiency in ZnO. In this project we will introduce Si nanostructures in the RE -doped ZnO crystal by co-implanting RE+ and Si+ ions. The role of this approach is threefold : Si nano-crystals act as a medium to increase the effective absorption cross section of RE ions; strengthen energy transfer between the RE ion and ZnO host material with the aid of quantum effects in Si nanostructures; disturb the symmetry of RE3 + ions surrounding environment and conducive 4f-transitions in ER3 + ions. The aim of this project is to achieve improved luminescence efficiency in RE -doped ZnO crystals.

以离子注入的方法对ZnO晶体进行掺杂是近年来探索制备ZnO发光器件和自旋电子器件的重要方法，掺杂的目的包括对ZnO电学极性的改变、以ZnO为载体的稀土离子(RE)发光中心的掺杂，以及掺入过渡金属离子改变材料磁学性质等。其中采用RE掺杂ZnO实现可见和近红外发光的努力一直在不断地进行，但掺杂后材料的荧光性质始终没能取得令人满意的结果。其主要的原因是RE3+电荷性质与Zn2+不同,RE离子在ZnO中的溶解度及光学活性较低。这使得RE3+在ZnO材料中的荧光效率受到限制。本项目将采取稀土离子与Si离子共注的方式，在RE掺杂的ZnO中引入Si纳米结构。其作用有三方面:以Si纳米晶粒作为媒介增加RE离子的有效吸收截面;借助Si纳米结构的量子效应加强ZnO材料与RE离子之间的能量传递;破坏RE3+离子周围环境的对称性，有利于ER3+内4f能态的电子跃迁。最终实现提高RE掺杂ZnO晶体荧光效率的目。

ZnO与目前常用的GaN材料都属于直接带隙的宽禁带半导体，有许多相似的电学和光学性质。近年来ZnO被认为是可以用来制作耐高温、高频和高功率的光电子器件的具有巨大潜力的材料。与基于GaN的发光二极管与激光二极管已经得到广泛的商业应用的现状不同，ZnO在发光器件上的应用始终障碍重重，其中许多基本的问题仍没有解决。以离子注入的方法对ZnO进行掺杂是近年来探索ZnO发光器件和自旋电子器件的重要方法，其中利用离子注入进行稀土离子（RE）掺杂是研究ZnO发光器件的重要内容。由于三价稀土离子的光学活性在ZnO中比较低，其荧光效率始终无法令人满意。直到上世纪90年代后期，人们发现在某些材料中（比如SiO2， GaN）的纳米结构有可能成为稀土发光中心的催化剂，极大地提高稀土离子的荧光发光效率。因而在掺有稀土离子的ZnO材料中同时引入纳米结构也有可能成为提高荧光效率的手段。在这样的研究背景下我们提出了利用Si纳米结构提高稀土离子在ZnO中的荧光效率的研究课题。围绕这一课题，本项目主要对Si、Ge纳米颗粒的形成条件、纳米颗粒对RE：ZnO荧光的影响，以及这种影响的可能的物理机制进行了研究，其中包括：RE掺杂ZnO的方式，以及掺杂参数对RE荧光的影响；Si和Ge掺入ZnO后，掺杂浓度、退火条件对Si、 Ge纳米颗粒形成的影响；Si：RE：ZnO和Ge：RE：ZnO的荧光性质以及Si和Ge纳米结构与RE荧光效率之间的关系，并对导致荧光增强的物理机制进行了解释。此外我们对在ZnO晶体和RE：ZnO薄膜上的光报导制备和光子晶体的制备进行了尝试。通过上述的研究获得以下几个重要的结果：首次观察到并解释了Ge纳米颗粒对Er：ZnO的红外荧光增强的现象，基于解释纳米颗粒限域效应的半经典理论提出了描述这种效应的物理模型；发现了高温环境下了Si掺杂在稀土掺杂的ZnO中可以形成稀土硅化物的现象，这一现象为提高稀土的荧光效率提供了另一种可能；首次在Er：ZnO薄膜材料上进行了光波导和光子晶体的制备等。这些研究为稀土掺杂ZnO发光器件的发光效率提高和器件设计提供了重要的理论和实验依据。