透明介电微球阵列结构增强氧化锌紫外光致发光机理研究

In this project, a novel technique for enhancement of UV-photoluminescence (UV-PL) from ZnO by capping a transparent dielectric microsphere monolayer is proposed. The mechanism of PL enhancement via near-field optics driven by the dielectric microsphere array is revealed. At first, the near-field-optical features near the optical micro-spherical cavity are analysed theoretically, in order to understand the mechanisms of PL enhancement from ZnO crystal bulk and film. Then, the effects of geometric and optical parameters of microspheres on PL intensity from ZnO crystal bulk and film are investigated experimentally, by which the theoretical analysis is validated. Based on the theoretical simulation and experimental results, the structures of microsphere/ZnO crystal bulk and microsphere/ZnO film/substrate are optimised for the maximum PL enhancement, respectively. The enhancement factors are obtained as well. Finally, the microsphere monolayer is coupled with surface plasmon resonance, in order to further enhance the ZnO UV-PL intensity. The results from this project will deepen the insight on near-field-optical features of optical micro-spherical cavity and the corresponding UV-PL enhancement for semiconductors, as well as offer the technical foundation with independent intellectual property rights to improve spectral sensitivity for semiconductor-based devices.

本项目提出一种采用透明介电微球单层阵列结构实现ZnO紫外光致发光增强的新技术，揭示介电微球通过近场光学调控半导体材料光致发光的机理。首先通过数值模拟获得透明介电微球微腔的主要光学特性，分析介电微球附近存在的近场光学效应，探究微球阵列对ZnO单晶及薄的光致发光调控机理；然后通过实验研究介电微球光学参数和几何参数对ZnO单晶及薄膜的光致发光强度的影响，并与数值模拟结果相比较，验证所提出的光致发光增强机理；通过理论模型分别计算最佳介电微球阵列/ZnO单晶复合结构以及介电微球阵列/ZnO薄膜/衬底复合结构，获得对应的最大光致发光增强系数，并在实验上加以验证；最后将介电微球与表面等离激元共振技术相结合，实现对ZnO紫外发光的进一步增强。本项目对深入认识介电微球光学效应、提高半导体材料及器件的光谱灵敏度，奠定了科学理论基础并提出具有自主知识产权的技术基础。

提出采用透明介电微球单层阵列结构增强ZnO紫外荧光技术，构建介电微球腔/ZnO/衬底三明治结构实现紫外发光增强，通过对三明治结构的研究，全面揭示了该结构中半导体薄膜荧光增强机理，包括（1）微球腔阵列聚焦效应增强自由激子复合发光；（2）微球腔阵列抗反射限光效应有效增加激发截面；（3）三明治结构中微球腔光学回音壁模式诱导自发辐射光放大及Purcell效应；（4）微球腔光学定向天线效应增大有效数值孔径并提高紫外荧光自由空间耦合效率。研究表明，在发光半导体薄膜厚度满足光学回音壁模式匹配条件下，衬底与薄膜折射率相差越大荧光增强越明显，最大增强系数可超过一个数量级。以此优化策略，通过在SiC衬底上生长~650 nm厚ZnO薄膜并覆盖5.06 μm直径的SiO2微球腔阵列，实现了高质量ZnO薄膜11.25倍紫外荧光增强。在弱光激发下，由于局域表面态密度的显著增强，介电微球腔阵列增强系数可达15倍。同时，介电微球腔阵列的天线效应实现了均一平面发光材料的定向发射。研究发现，工作温度在130摄氏度下，由于氢相关浅施主的热解离（~35 meV）产生更多的自由激子，介电微球腔阵列增强系数可进一步提高到16倍以上。相较于金属纳米结构，介电微球腔温度稳定性高、可重复性好，可用于高温环境下（<400摄氏度）的氧化锌器件紫外发光增强，有效抑制荧光淬灭。最后，通过构建介电微球腔/Al纳米颗粒/ZnO/Au纳米颗粒/衬底的复合结构，结合光学回音壁模式和表面等离激元共振特点，成功增强高质量ZnO薄膜紫外荧光两个数量级，揭示了两种光场调控的相互作用。此外，提出微球腔阵列拉曼散射增强机制，成功制备了内嵌高折射率介电微球阵列的多用途柔性薄膜，可在SERS基础上提高拉曼信号强度一个数量级，提高拉曼痕量快速检测能力。在理论上预测双层复合微球光场调控结构，综合微球聚焦效应、光学回音壁共振，光学定向天线效应，其单分子理论增强因子可达到10^5以上，检测能力与商业化金属SERS衬底相媲美。该项目研究成果为基于介电微腔的光散射调控技术的应用奠定基础。