氧化锌薄膜的缺陷发光和它作为白光光源的潜在应用（英文）

ZnO发光二极管(LEDs)在照明应用方面有着巨大的潜力。需要解决的主要问题是光的产生和对辐射的控制,这个问题来自LED波长的变化和组合。发现缺陷发光的ZnO有着各种波长范围,适合LED在白光产生方面的应用。同时展示了在实验和理论上可以用于ZnO系统的缺陷辐射。这种类型的缺陷相较于传统的掺杂材料和其他材料,其优点在于不需要广泛和昂贵的生产系统。不仅提出了ZnO薄膜在白色平面LED光源本征缺陷发光的潜在应用,同时也利用一些方法一个特定的中心位置和ZnO薄膜在初期发射谱带的宽分布来控制缺陷的产生。根据不同的制备方法和特定的实验条件,不同的白色,如稍白色和青白色等原本的和重要的颜色-蓝光波段(455,458nm),绿光波段(517,548nm),红光波段(613,569nm)分别被获得。从而说明了这是一种制作白光LED更好的办法-利用ZnO材料。在对ZnO薄膜电学性质的调查研究中,通过薄膜表面的额电子插入和正离子的湮灭已经证明了的观点,随着质子的植入、正离子的湮没、电子的插入和ZnO表面的电学性质的研究,表述结果被进一步的证实。研究人员对单晶ZnO的已经有了一定的研究,PL质子植入ZnO以后呈现橘红色,并且在700℃退火后仍然存在,清楚的可以看出PL缺陷的存在。在植入粒子方面最近的文章也有报道,例如在ZnO缺陷表层中注入离子和电子来改变PL性能。VZn也发现了氧化锌薄膜的主要缺陷之一是正电子湮没,同样的,Vlasenko和Watkins也发现了氧化锌表面由于电子辐射产生的缺陷。导致绿色透光率的减少,增加PL致600~700nm。之后分析和解释ZnO薄膜电阻率的缺陷。由霍尔系数的迹象表明ZnO表现为N型传导,这样做的原因是因为把VO和Zn原子联系在一起,使Zn具有较低的电阻率。试验中氧气退货可以增加ZnO的电阻率,其电阻率的增加是由于VO的减少。另外,在200℃条件下准备的样品导电率很低,说明了VO的作用很大。退火氧化锌薄膜电导率下降表明,看到了主要的缺陷。     

衬底温度对氧化锌薄膜电学性质的影响

氧化锌是一种性能良好的半导体材料,可以用作薄膜场发射阴极中的电子传输层材料,主要研究了用磁控溅射方法在不同衬底温度下生长ZnO薄膜的电学特性,分析了ZnO薄膜的电阻率和击穿场强随温度的变化关系。     

表面预处理对氧化锌薄膜质量的影响

用MOCVD方法在c面蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜。生长前衬底表面进行预处理,观察不同表面预处理对ZnO薄膜质量的影响。测量氧化锌的XRD谱,观察表面预处理后对氧化锌薄膜结晶质量的影响。室温下用325nm的He-cd激光器作为激发源测量ZnO薄膜的紫外发光谱,观察表面处理后对ZnO薄膜发光特性的影响。用HL5500 Hall System分别对ZnO薄膜的电学特性进行了测试。得到了ZnO薄膜的电阻率和霍尔迁移率,并得到氧气气氛处理后电阻率变小,霍尔迁移率变大;氮气气氛射频处理后电阻率变大,霍尔迁移率变小的结果。     

ZnO/SiO2 复合薄膜的光学性能

采用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备ZnO/SiO₂复合薄膜,分别用XRD、TEM、SEM对样品的结构和形貌进行表征,并研究了不同ZnO含量对复合薄膜透过率及荧光特性的影响。结果表明,样品经500 ℃退火处理生成了SiO₂和ZnO,其晶粒尺寸为18.7 nm,薄膜具有双层结构。复合薄膜的透过率随着其中ZnO含量的增加而降低,禁带宽度减小,光学吸收边红移。样品在355 nm波长激发下产生了384 nm的紫外发射峰和440 nm的蓝光发射带,并随ZnO含量的增加而增强,它们分别来自ZnO的电子-空穴复合发光和缺陷发光,及ZnO/SiO₂复合薄膜双层结构的缺陷发光。     

射频磁控溅射法制备氮化硅基ZnO薄膜的光致发光性能研究

氮化硅薄膜因其耐腐蚀性、高温稳定性和良好的机械强度等优点,被广泛用作透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、能量色散X射线光谱仪(EDX)等的表征实验承载体。特别是,SiN可作为SEM观察时的低扰背景。然而SiN薄膜较差的荧光性制约了其进一步在荧光器件中的广泛应用。为了进一步提高SiN薄膜窗口的荧光效率,实验研究中采用了射频磁控溅射技术在SiN_x薄膜衬底上成功制备出系列ZnO薄膜,并分别进行了氮气氛非原位退火和原位退火处理。然后利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)对薄膜的微结构和光致发光(PL)性能进行了研究,并系统研究了所制备薄膜的发光情况。实验研究结果表明,镀膜后荧光强度普遍提升, 退火促进晶粒进一步熟化生长、结晶性能大幅提升、晶界减少,且退火方式对射频磁控溅射法制备的ZnO/SiN复合薄膜的微结构和发光性能有显著影响。与SiN_x薄膜相比,未退火的ZnO/SiN_x薄膜和N₂气氛非原位退火的ZnO/SiN_x薄膜在380 nm附近的带边本征发射强度分别提高了7.7倍和34.0倍以上。与非原位退火处理的薄膜相比,原位退火处理的ZnO/SiN_x薄膜具有更多的氧空位缺陷,因此表现出更强的可见光波段PL强度,在425～600 nm的可见光波段表现出更高的光致发光能力。这些结果有助于优化氮化硅基ZnO荧光薄膜的制备参数。     

氮等离子体辅助脉冲激光沉积生长p型ZnO:N薄膜的光学和电学性质

通过氮气等离子体辅助脉冲激光沉积(PLD)技术制备了氮掺杂氧化锌(ZnO:N)薄膜.经过低温快速热退火(RTA)处理后,ZnO:N薄膜呈现p型导电特性.利用X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)和霍尔测量对ZnO:N薄膜中N的化学状态及其光学和电学性质进行了系列的研究.结果表明:所制得的p型ZnO:N薄膜为高度补...     

铟磷共掺杂p型氧化锌薄膜形成机理和性质

利用射频磁控溅射在石英衬底上生长出铟磷共掺氧化锌薄膜(ZnO ∶ In,P),所用靶材为掺杂五氧化二磷(P₂O₅)和氧化铟(In₂O₃)的氧化锌(ZnO)陶瓷靶,掺杂质量分数分别为1.5%和0.3%,溅射气体为Ar和O₂的混合气体。原生ZnO薄膜是绝缘的, 600 ℃退火5 min后导电类型为n型,而800 ℃退火5 min后为p型。p型ZnO薄膜的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率分别为12.4 Ω·cm, 1.6×10¹⁷ cm^-3 和3.29 cm²·V^-1·s^-1。X射线衍射测量结果表明所有样品都只有(002)衍射峰,并与相同条件下生长的未掺杂ZnO相比向大角度方向偏移,意味着In和P都占据Zn位。XPS测试结果表明在共掺ZnO薄膜中P不是取代O而是取代Zn。因此,铟磷共掺ZnO薄膜中,In和P都取代Zn,并且P_Zn与2个锌空位(V_Zn)形成P_Zn-2V_Zn复合受主,薄膜表现为p型。     

非掺杂ZnO薄膜中紫外与绿色发光中心

用直流反应溅射方法在硅衬底上淀积了ZnO薄膜,测量它们的光致发光(PL)光谱,观察到两个发光峰,峰值能量分别为3.18(紫外峰,UV)和2.38eV(绿峰).样品用不同温度分别在氧气、氮气和空气中热处理后,测量了PL光谱中绿峰和紫外峰强度随热处理温度和气氛的变化,同时比较了用FP-LMT方法计算的ZnO中几种本征缺陷的能级位置.根据实验和能级计算的结果,推测出ZnO薄膜中的紫外峰与ZnO带边激子跃迁有关,而绿色发光主要来源于导带底到氧错位缺陷(O_Zn)能级的跃迁,而不是通常认为的氧空 关键词： ZnO薄膜 热处理 光致发光光谱 缺陷能级     

Ag掺杂P型ZnO薄膜及其同质结的光电性质

采用磁控溅射技术在Si基片上生长了Ag掺杂的ZnO薄膜,XRD测试表明所得薄膜结晶性质良好,未出现Ag的分相。未掺杂和Ag掺杂氧化锌薄膜的低温(10K)光致发光(PL)谱显示:Ag的掺入使得中性施主束缚激子发射(D0X)显著减弱,并且在3.315eV处观测到了与Ag有关的施主-受主对(DAP)发射,受主缺陷的形成归因于掺入的Ag替位Zn。计算得到受主能级离价带顶约110meV。霍尔效应测得电阻率约0.1Ω.cm,迁移率约36cm2/V.s,空穴浓度约1.7×1018cm-3。在此基础上制备了ZnO∶Ag/ZnO的同质结,I-V测试显示了明显的整流特性,且反向漏电流很小。所有结果表明Ag掺杂的氧化锌薄膜已经转化为p型。     

常压MOCVD生长ZnO薄膜及其性质

用常压MOCVD在蓝宝石 (0 0 0 1)面上生长了氧化锌 (ZnO)薄膜。用AFM、室温PL谱、Hall测量、X射线双晶衍射、卢瑟福背散射 /沟道技术等分析方法研究了样品的表面形貌、结构性能、发光性能和电学性能。AFM分析结果显示 ,薄膜呈六角柱状结晶 ,表面平整 ,粗糙度 (RMS)为 6 .2 5 7nm ,平均晶粒直径达 1.895 μm。室温PL测量该样品在 380nm处有很强的近带边发射 ,半峰全宽为 15nm。使用Hall测量检查了薄膜的电学性质。室温下该样品的载流子浓度为 2× 10 17cm-3 ,迁移率为 75cm2 ·V-1·s-1。用X射线双晶衍射和卢瑟福背散射 /沟道效应研究了薄膜的结晶质量 ,样品的双晶衍射ω扫描半峰全宽为 0 .0 4° ,沟道效应的最小产额比χmin为 3.1%。     

Luminescence mechanism of ZnO thin film investigated by XPS measurement

The effects of annealing environment on the luminescence characteristics of ZnO thin films that were deposited on SiO₂/Si substrates by reactive RF magnetron sputtering were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and photoluminescence (PL). An analysis of the O 1s peak of ZnO film revealed that the concentration of oxygen vacancies increased with the annealing temperature from 600 °C to 900 °C under an ambient atmosphere. The PL results demonstrated that the intensity of green light emission at 523 nm also increased with temperature. Under various annealing atmospheres, the analyses of PL indicated that only one emission peak (523 nm) was obtained, indicating that only one class of defect was responsible for the green luminescence. The green light emission was strongest and the concentration of oxygen vacancies was highest when the ZnO film was annealed in ambient atmosphere at 900 °C. The results in this investigation show that the luminescence mechanism of the emission of green light from a ZnO thin film is associated primarily with oxygen vacancies. PACS 81.15.Cd; 81.40.Ef; 78.55.-m; 78.55.Et     

Blue electroluminescence nanodevice prototype based on vertical ZnO nanowire/polymer film on silicon substrate

We present a polymer-complexing soft template technique to construct the ZnO-nanowire/polymer light emitting device prototype that exhibits blue electrically driven emission with a relatively low-threshold voltage at room temperature in ambient atmosphere, and the ZnO-nanowire-based LED’s emission wavelength is easily tuned by controlling the applied-excitation voltage. The nearly vertically aligned ZnO-nanowires with polymer film were used as emissive layers in the devices. The method uses polymer as binder in the LED device and dispersion medium in the luminescence layer, which stabilizes the quasi-arrays of ZnO nanowires embedding in a thin polymer film on silicon substrate and passivates the surface of ZnO nanocrystals, to prevent the quenching of luminescence. Additionally, the measurements of electrical properties showed that ZnO-nanowire/polymer film could significantly improve the conductivity of the film, which could be attributed to an increase in both Hall mobility and carrier concentration. The results indicated that the novel technique is a low-cost process for ZnO-based UV or blue light emission and reduces the requirement for achieving robust p-doping of ZnO film. It suggests that such ZnO-nanowire/polymer-based LEDs will be suitable for the electro-optical application.     

激光分子束外延方法生长的ZnO薄膜的发光特性

研究了不同温度和不同光激发强度下激光分子束外延方法生长的ZnO薄膜样品的发光性能,发现YAG脉冲激光激发,强度超过一定值时会在长波方向上出现一个新的发光峰,此峰可能起源于电子-空穴的复合。室温下氙灯激发的光谱中可以看到峰值位于381nm的近带边紫外发射峰和位于450nm的强的蓝绿带发射,根据光致发光激发光谱的特征给出了一个简单的蓝光发射模型。对比YAG脉冲激光激发和氙灯激发得到的实验光谱,我们认为不同的光谱特征和样品发光的激发机制有关,紫外峰发射需激发强度超过一定值才能观察到,而蓝带发射则在一定的激发强度下迅速饱和。     

萘醌和噻唑分子之间的相互作用

从理论上研究了萘醌衍生物和噻唑衍生物分子之间的相互作用,并通过光谱实验进行了验证。研究结果表明：萘醌衍生物和噻唑衍生物均为多环有机共轭分子,且分子结构呈平面构型。在固态时呈多晶粉末状,有着强烈的光吸收,但无可见光发射。可是,将其分散于聚乙烯树脂中,其呈单分子形态,能产生可见光。通过比较萘醌衍生物和噻唑衍生物的荧光光谱和激发光谱,发现萘醌衍生物的荧光光谱与噻唑衍生物的激发光谱有很好的重叠。这样,将萘醌衍生物和噻唑衍生物均匀混合分散到聚乙烯树脂中,用蓝光激发萘醌衍生物就可观察到噻唑衍生物发射的红光。这说明二者之间产生了能量传递,实现了蓝光激发下产生的红光。实验还发现,采用适当比例的配制可得到能量传递效率最高的混合膜。这对于光转换白光LED的研发工作是非常有意义的。     

CVD两步法生长ZnO薄膜及其光致发光特性

用CVD两步法在常压下于p型Si(100)衬底上沉积出具有较好择优取向的多晶ZnO薄膜。在325nm波长的光激发下,室温下可观察到显著的紫外光发射(峰值波长381nm)。高温退火后氧空位缺陷浓度增加,出现了一个450~600nm的绿光发光带,发光峰值在510nm。作为比较,用一步法生长的ZnO薄膜结晶质量稍差。在其PL谱中不仅有峰值波长389nm的紫外发射而且还出现了一个很强的蓝光发光中心(峰值波长437nm),退火后同样产生绿光发光带。对这两种绿光发光带的发光机制进行了研究,认为前者源于VO,而后者与O_Zn有密切的关系。     

高温固相法制备ZnO∶Zn绿色荧光粉及其在近紫外LEDs中的应用研究

采用高温固相法在温度900～1 100 ℃,时间3 h的条件下制备出系列ZnO∶Zn荧光粉样品,并进行了封装应用研究。利用X射线衍射分析(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、荧光分光光度计(PL)和可见光光谱分析系统等手段对样品分别进行了表征分析。研究结果表明：所制备的荧光粉样品均具有ZnO晶型的六方纤锌矿结构,样品可以有效地被近紫外光激发,所发射的绿光光谱具有宽谱发射特征,峰位于502 nm归属于氧空位发射,同时940 ℃条件下制备的荧光粉样品具有最高的发光强度。结合近紫外LED芯片和RGB荧光粉分别制备出绿光LED和白光LED,其中绿光LED在不同驱动电流(250～500 mA)泵浦下表现出稳定的光谱发射特性,发射光谱谱型和色坐标基本未变,发射强度随电流升高而增加,所制备的白光LED在色温3 212 K时,显色指数达到94.1,发光效率为85.6 lm·W-1(@300 mA,9.3 V),在(250～500 mA)驱动电流泵浦下同时也表现出稳定的光谱发射特性,所制备的ZnO∶Zn绿色荧光粉对于制备高显色、高品质近紫外白光LED具有潜在的应用价值。     

ZnO nanorods–polymer hybrid white light emitting diode grown on a disposable paper substrate

We demonstrate intrinsic white light emission from hybrid light emitting diodes fabricated using an inorganic–organic hybrid junction grown at 50 °C on a paper substrate. Cyclotene was first spin coated on the entire substrate to act as a surface barrier layer for water and other nutrient solutions. The active area of the fabricated light emitting diode (LED) consists of zinc oxide nanorods (ZnO NRs) and a poly(9,9‐dioctylfluorene) (PFO) conducting polymer layer. The fabricated LED shows clear rectifying behavior and a broad band electroluminescence (EL) peak covering the whole visible spectrum range from 420 nm to 780 nm. The color rendering index (CRI) was calculated to be 94 and the correlated color temperature (CCT) of the LED was 3660 K. The low process temperature and procedure in this work enables the use of paper substrate for the fabrication of low cost ZnO–polymer white LEDs for applications requiring flexible/disposable electronic devices. (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

The structure and optical properties of SiC film on Si (111) substrate with a ZnO buffer layer by RF-magnetron sputtering technique

We have fabricated a multiply layer SiC/ZnO on Si substrates using the RF-magnetron sputtering technique with the targets of a single crystalline SiC and a polycrystalline ZnO. The as-deposited films were annealed in the temperature range of 600–1000 °C under nitrogen ambient. We have observed a strong ultraviolet (UV) emission (370 nm) from the as-deposited SiC/ZnO film and an intense violet emission (412 nm) from the film annealed at high temperature (1000 °C) under nitrogen ambient. The SiC film quality and the PL intensities are considered to be strongly dependent on the crystalline quality of the ZnO buffer layer. With the increase of the annealing temperature, the crystalline quality of the ZnO buffer layer is improved, resulting in the improvement of the SiC film quality and the increase of the PL intensities. The thin films have been characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM) to provide the evidences of photoluminescence (PL). We suggest that the UV emission could be attributed to the nanocrystal silicon particles, that the 395 nm band is related to ZnO buffer layer and has a great relation to the crystalline quality of the ZnO film, and that the violet emission is associated with the emission luminescence from 6H-SiC, which bears on the SiC film quality. The obtained results are expected to have important applications in modern optoelectronic devices.     

宽激发带稀土激活碱土金属硅酸盐发光材料特性研究

采用高温固相法合成了系列新的宽激发带发光材料M2MgSi₂O₇∶Eu, Dy(M=Ca, Sr);表征了各基质化合物的晶体结构;考察了碱土金属离子相互部分替代对晶体结构、光谱及发光特性的影响。荧光光谱和发光特性研究结果表明,该系列硅酸盐基质发光材料具有很宽的激发光谱,激发带均延伸到了可见区,紫外或可见光照射后可分别产生黄、绿、蓝不同颜色长余辉光发射。在450～480 nm区域间可以非常有效地激发Ca₂MgSi₂O₇∶Eu, Dy,于536 nm处产生强光发射,与InGaN芯片的蓝光复合可产生白光,表明该体系可用作白光LED的黄光发射发光材料。