金属/氧化锌复合纳米结构发光增强及超快动力学过程研究

Surface plasmon has been considered as an effective method to enhance the emission efficiency of semiconductor materials. So far, however, two major problems hinder the development of this application: one is the instability of enhancement effect and the other is the uncertainty about the enhancement mechanism. Concerning these two issues, this project aims to design and fabricate suitable metal/ZnO composites, and explore the critical factors of the composites that affect the fluorescent property of ZnO, which can lead to the achievement of stable and controllable ultraviolet emission enhancement of ZnO. On the basis above, the ultrafast dynamics processes of these emissions are systematically studied under different excitation conditions by applying cryogenic and transient spectrum technology, which can demonstrate the distinct physical images of the interactions between the ZnO excitons and metal surface plasmons. The implementation of this project can further reveal the mechanism of emission enhancement of semiconductors based on the surface plasmon, and provide important theoretical basis and technical support for the fabrication of higher-efficiency semiconductor emitting devices.

金属表面等离激元效应能够有效提高半导体的发光效率，但目前存在的主要问题是增强效果不稳定及增强机理不清晰。针对这两个问题，本项目拟设计制备合理的金属/氧化锌复合纳米结构，通过对样品形貌结构及发光性质的精细表征，探究复合结构中影响氧化锌发光的关键因素，以实现其稳定可控的紫外发光增强。在此基础上，采用低温、瞬态等光谱测试技术，研究不同激发条件下复合结构发光的超快动力学过程，建立金属表面等离激元与氧化锌激子相互作用的物理模型。本项目的开展能够进一步揭示基于金属表面等离激元增强半导体发光的理论机制，并为更高效率半导体发光器件的设计制备提供重要的理论依据和技术支撑。

半导体发光材料是构建新型高效发光器件的基础，因此提高半导体材料特别是氧化锌、氮化镓等宽禁带材料的发光效率是该领域的重要研究内容。金属表面等离激元具有显著的局域场增强效应，在半导体材料表面构建合适的金属纳米结构是提高半导体发光的有效途径。国际上众多课题组已开展这方面研究，并取得了积极的研究进展。. 目前该领域的研究存在两个主要问题，一是半导体/金属复合纳米结构的发光增强效果不稳定，二是增强机理和复合结构的发光动力学过程仍然不清晰。针对这两个问题，本项目以氧化锌材料为基础，构建了氧化锌/金属复合纳米材料体系，并从三个方面开展了相应的研究。一是采用化学气相沉积法并通过优化工艺条件，制备出形貌特征、光学性质高度一致的氧化锌纳米结构。在此基础上，通过磁控溅射、离子溅射等物理方法，在氧化锌材料表面修饰Au、Ag等金属纳米颗粒，并实现对颗粒形貌、尺寸、排列密度进行有效调控。二是利用微区荧光拉曼光谱技术系统研究了不同结构体系的金属/氧化锌发光性质及其拉曼增强效应。三是以飞秒激光作为激发光源，利用超快瞬态光谱技术研究了金属/氧化锌复合体系的光子寿命，分析了金属/ZnO复合体系发光的超快动力学过程，并建立了相应的理论模型。. 本项目在金属/氧化锌复合结构的可控制备、复合结构的发光增强、拉曼增强以及发光动力学机制方面取得了一定的成果，项目将对金属/半导体复合体系的发光开展持续研究，特别是在低温超快动力学过程以及基于金属纳米结构增强的发光器件方面开展后续研究。本项目的研究进一步揭示了金属纳米结构与半导体发光材料之间相互作用机制，并在新型高效半导体发光器件设计制备过程中提供了重要的理论与技术支持。