喬 倩,單崇新,劉娟意,陶麗芳,王 瑞,張存喜,李炳輝,申德振

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山 316022; 2.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)

不同密度銀納米粒子對(duì)氧化鋅基發(fā)光二極管發(fā)光的增強(qiáng)

喬 倩1*,單崇新2*,劉娟意1,陶麗芳1,王 瑞1,張存喜1,李炳輝2,申德振2

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山 316022; 2.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)

采用分子束外延法制備不同密度的銀納米粒子(Ag NPs)修飾的局域表面等離子體共振增強(qiáng)n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管(LEDs),并對(duì)其電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。結(jié)果顯示:LEDs中引入適當(dāng)濃度的Ag NPs有利于Ag NPs局域表面等離子體激元與ZnO激子相耦合,可以顯著提高器件的電致發(fā)光性能;隨著Ag NPs濃度的增加,LEDs發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)先增大后減小,分析認(rèn)為這是Ag NPs局域表面等離子體共振耦合增強(qiáng)過(guò)程和Ag NPs的消光過(guò)程兩者之間相互博弈而導(dǎo)致的結(jié)果。

局域表面等離子體共振;發(fā)光二極管;銀納米粒子;電致發(fā)光

1 引 言

金屬納米粒子在入射光子激發(fā)下,納米粒子中自由振蕩的電子與入射光子相互作用產(chǎn)生局域表面等離子體共振現(xiàn)象,共振的頻率與金屬納米粒子的材料、形狀、大小、納米粒子所處的環(huán)境以及粒子之間的耦合作用等密切相關(guān)[1-3]。局域表面等離子體共振耦合產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在金屬納米粒子表面被極大增強(qiáng),形成很強(qiáng)的近場(chǎng)能量密度,可以大大提高金屬表面附近材料的光電轉(zhuǎn)換效率。目前,金屬納米粒子已被廣泛用于提高光電器件的轉(zhuǎn)化效率,如太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管和光探測(cè)器等[4-10]。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emitting diodes, LEDs)由于發(fā)光效率高、工作電壓低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),已成為各種固態(tài)發(fā)光器件的重要部分[11]。Ⅱ-VI族直接帶隙化合物半導(dǎo)體氧化鋅(ZnO)的禁帶寬度為3.37 eV,激子結(jié)合能為60 meV,遠(yuǎn)高于室溫?zé)犭x化能26 meV,理論上在室溫可獲得高效的紫外激子發(fā)光,被認(rèn)為是制備紫外發(fā)光二極管和激光器等光電子器件的理想材料[12-13]。迄今為止,研究人員已在ZnO基紫外發(fā)光器件方面取得了諸多有意義的成果[13-15],然而目前ZnO基發(fā)光器件的性能還很低,離實(shí)際應(yīng)用有較大的差距。

近年來(lái),利用金、銀、鉑等貴金屬納米粒子局域表面等離子體共振效應(yīng)提高ZnO基發(fā)光器件發(fā)光效率成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。Zhang等[16-17]研究發(fā)現(xiàn),銀納米粒子(Ag NPs)的局域表面等離子體共振效應(yīng)可以使n-ZnO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs的發(fā)光強(qiáng)度提高2.5倍,并且在Ag NPs直徑為10 nm時(shí)增強(qiáng)效果最好。Liu等[18-19]研究發(fā)現(xiàn),Ag NPs與n-ZnO/i-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs發(fā)光層之間的距離為10 nm時(shí),發(fā)光增強(qiáng)效果最好。本研究組也對(duì)金屬納米粒子局域表面等離子體共振效應(yīng)提高ZnO基LEDs器件的發(fā)光效率進(jìn)行了諸多研究,發(fā)現(xiàn)Ag NPs可以使n-ZnO/i-ZnO/ MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs的紫外發(fā)光強(qiáng)度提高3.2倍[20],且不同種類的金屬納米粒子對(duì)器件的發(fā)光具有選擇性增強(qiáng)特性,只有在ZnO基LEDs器件的發(fā)光波長(zhǎng)接近于金屬納米粒子局域表面等離子體共振波長(zhǎng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)效應(yīng)[21]。同時(shí),局域表面等離子體共振效應(yīng)對(duì)ZnO基 LEDs的增強(qiáng)效果具有很好的穩(wěn)定性[22],LEDs放置90 d以后,發(fā)光的增強(qiáng)效果也沒(méi)有明顯的衰減。

從已經(jīng)報(bào)道的研究結(jié)果看,目前金屬納米粒子的局域表面等離子體共振效應(yīng)在增強(qiáng)ZnO基LEDs器件的發(fā)光強(qiáng)度方面取得了一些進(jìn)展。但是,要構(gòu)建一個(gè)高效的局域表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)ZnO基LEDs器件,還有很多的工作需要去做。在目前對(duì)于局域表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)ZnO基LEDs器件發(fā)光性能的研究中,關(guān)于LEDs中金屬納米粒子分布密度的研究還沒(méi)有報(bào)道,而金屬納米粒子的分布密度對(duì)器件的發(fā)光性能也會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響。本文構(gòu)建了不同密度Ag NPs修飾的局域表面等離子體共振增強(qiáng)n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件,研究了Ag NPs的密度對(duì)ZnO基LEDs器件發(fā)光性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),合適的Ag NPs的分布密度可以顯著提高LEDs器件的電致發(fā)光性能,而Ag NPs的密度太高或者太低,增強(qiáng)效果都不好。

2 實(shí) 驗(yàn)

以高純金屬鋅(99.9999%)、金屬鎂(99.9999%)、氧氣(99.999%)作為原料,商用的p-GaN作為襯底,利用等離子體輔助分子束處延(Molecularbeam epitaxy,MBE)技術(shù)制備n-ZnO/i-ZnO/MgO/ p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件。以硝酸銀、檸檬酸鈉、硼氰化鈉為原料,采用Mulfinger等[23]描述的硼氰化鈉還原硝酸銀法制備Ag NPs溶液。

具體過(guò)程如下:(1)將經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗的p-GaN襯底放入MBE生長(zhǎng)室,控制襯底溫度為750℃,真空條件下預(yù)處理30 min,去除表面吸附的雜質(zhì)。(2)控制襯底溫度為650℃,金屬M(fèi)g源溫度為317℃,沉積20 nm MgO層;隨后控制金屬Zn源溫度為235℃,沉積50 nm i-ZnO層。(3)將樣品從MBE腔中取出,分成形狀大小相同的4塊,第一塊樣品作為參比樣品不做任何處理(記作LED w/o Ag NPs),在余下的3塊樣品上分別旋涂1次、2次、3次硼氰化鈉還原硝酸銀法制備Ag NPs溶液(分別記作LED w Ag NPs-1、LED w Ag NPs-2、和LED w Ag NPs-3)。(4)將4塊樣品再次放入到MBE生長(zhǎng)室中,襯底溫度先控制在350℃,金屬Zn源溫度為235℃,沉積20 nm i-ZnO層,覆蓋Ag NPs后,將襯底溫度升到500℃,金屬Zn源溫度升高到245℃,沉積500 nm n-ZnO層。(5)最后利用金屬熱蒸發(fā)技術(shù)分別在p-GaN層和上面n-ZnO薄膜層上沉積雙層金屬Ni/Au和Ti/Au作為電極。

利用Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和Shimadzu UV-3101 PC型紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)來(lái)表征Ag NPs的形貌及光學(xué)特性。利用LakeShore公司的7707霍爾測(cè)試系統(tǒng)來(lái)表征p-GaN、i-ZnO和n-ZnO薄膜層的電學(xué)性質(zhì)以及Ag NPs修飾的n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件的電流-電壓(I-V)特性。利用Hitachi F-4500熒光光譜儀來(lái)表征LEDs器件的電致發(fā)光特性,泵浦電源為Keithley 2400數(shù)字源表。

3 結(jié)果與討論

圖1分別顯示了旋涂1次、2次和3次Ag NPs溶液的ZnO薄膜的SEM照片。從圖中可以看出,Ag NPs的直徑為10～20 nm,隨機(jī)分散在薄膜的表面,并且隨著旋涂次數(shù)變多,Ag NPs的密度變大。對(duì)于旋涂1次Ag NPs溶液的樣品,如圖1(a)所示,Ag NPs的分布很稀,納米粒子之間間距較遠(yuǎn),ZnO薄膜層的表面覆蓋率大約為5%左右。對(duì)于旋涂2次Ag NPs溶液的樣品,如圖1 (b)所示,ZnO薄膜上Ag NPs的個(gè)數(shù)明顯增多,少數(shù)區(qū)域發(fā)生Ag NPs的聚集現(xiàn)象,ZnO薄膜層的表面覆蓋率約為10%。對(duì)于旋涂3次Ag NPs溶液的樣品,如圖1(c)所示,ZnO薄膜上Ag NPs的個(gè)數(shù)進(jìn)一步增多,Ag NPs之間的距離變近,ZnO薄膜層的表面覆蓋率約為20%,且Ag NPs的聚集區(qū)域也明顯增多。

圖1 旋涂不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜SEM照片。(a) Ag NPs-1;(b)Ag NPs-2;(c)Ag NPs-3。Fig.1 FE-SEM images of the Ag NPs deposited on ZnO filmswith different spin-coating times.(a)Ag NPs-1. (b)Ag NPs-2.(c)Ag NPs-3.

圖2 沒(méi)有旋涂Ag NPs和旋涂不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜的紫外-可見(jiàn)透射光譜(a)和紫外-可見(jiàn)消光光譜(b),圖(b)插圖為Ag NPs溶液、Ag NPs-1、Ag NPs-2和Ag NPs-3的局域表面等離子體共振吸收光譜。Fig.2 UV-visible transmittance(a)and UV-visible extinction(b)spectra of ZnO film without Ag NPs,aswell as ZnO film with Ag NPs-1,Ag NPs-2,and Ag NPs-3,respectively.Insetof(b)shows the localized surface plasmon resonance extinction spectra of Ag NPs-1,Ag NPs-2,and Ag NPs-3 obtained by subtracting the extinction spectrum of ZnO film with Ag NPs to that of ZnO film without Ag NPs,and the localized surface plasmon resonance extinction spectrum of Ag NPs sol is also displayed for comparison.

為了研究用來(lái)提供局域表面等離子體共振源的Ag NPs的光學(xué)性質(zhì),我們對(duì)沒(méi)有旋涂和旋涂不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜進(jìn)行了紫外-可見(jiàn)透射光譜和消光(散射+吸收)光譜測(cè)試。圖2(a)為沒(méi)有旋涂Ag NPs和分別旋涂有1次、2次、3次Ag NPs的ZnO薄膜的紫外-可見(jiàn)透射光譜。從圖中可以看出,所有的薄膜樣品在380 nm以下顯示出很強(qiáng)的吸收,該吸收來(lái)源于半導(dǎo)體ZnO薄膜材料的禁帶吸收。對(duì)于沒(méi)有旋涂Ag NPs的ZnO薄膜,其在390～800 nm區(qū)域內(nèi)完全透明,透過(guò)率達(dá)到95%以上;而對(duì)于旋涂了不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜樣品,其在該區(qū)域內(nèi)透過(guò)率均有不同程度的下降。對(duì)于旋涂1次Ag NPs的ZnO薄膜樣品,其在390～500 nm的透過(guò)率與沒(méi)有旋涂AgNPs的ZnO薄膜相比略有降低,而在500～800 nm的透過(guò)率保持不變;對(duì)于旋涂2次Ag NPs的樣品,其在390～800 nm范圍內(nèi)的透過(guò)率出現(xiàn)整體下降,下降幅度為5%～20%,尤其是在390～500 nm的透過(guò)率降低幅度較大;對(duì)于旋涂3次Ag NPs的樣品,其在390～800 nm范圍內(nèi)的透過(guò)率整體下降程度更加明顯,下降幅度為10%～30%,尤其是在390～500 nm的透過(guò)率降低幅度比較嚴(yán)重。

圖2(b)顯示的是沒(méi)有旋涂和分別旋涂有1次、2次、3次Ag NPs的ZnO薄膜的紫外-可見(jiàn)消光光譜。對(duì)于旋涂有不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜,與沒(méi)有旋涂Ag NPs的ZnO薄膜相比較具有相同的吸收帶邊,但是旋涂了Ag NPs的ZnO薄膜在390～500 nm處顯示出一個(gè)吸收包絡(luò)。對(duì)旋涂了不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜的消光光譜與沒(méi)有旋涂Ag NPs的ZnO薄膜的消光光譜做差譜,其結(jié)果顯示在圖2(b)插圖中。從圖中可以看出,旋涂了Ag NPs的樣品在380～500 nm波長(zhǎng)處顯示出一個(gè)明顯的吸收包,且隨著旋涂次數(shù)的增加該吸收包絡(luò)變得更加明顯。同時(shí)圖2(b)插圖中也給出化學(xué)方法合成Ag NPs溶液的消光光譜,可以發(fā)現(xiàn),旋涂在ZnO薄膜上的Ag NPs的吸收包絡(luò)與Ag NPs溶液的消光光譜相吻合。因此,可以認(rèn)為旋涂了不同次數(shù)Ag NPs的ZnO薄膜消光光譜中380～500 nm波長(zhǎng)處的這個(gè)包絡(luò)來(lái)源于Ag NPs的局域表面等離子體共振吸收。

圖3(a)為Ag NPs局域表面等離子體共振增強(qiáng)n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件的結(jié)構(gòu)示意圖。考慮到金屬納米粒子局域表面等離子體激元的電磁場(chǎng)為消逝場(chǎng),縱向的衰減常數(shù)一般在幾十個(gè)納米量級(jí),為了使n-ZnO/i-ZnO/MgO/ p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs發(fā)出的光子能夠與Ag NPs很好地耦合,選擇將金屬Ag NPs置入到發(fā)光層i-ZnO層中。圖4(b)顯示了參比的ZnO基LED器件和Ag NPs-1、Ag NPs-2以及Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs器件的電流-電壓(I-V)特性曲線,從圖中可以看出,Ag NPs-1以及Ag NPs-2修飾的LEDs和參比的LEDs的I-V特性曲線非常近似,開啟電壓分別為24.6,24.2,23.8 V。而對(duì)于旋涂了3次Ag NPs的LEDs,其I-V特性曲線與前3個(gè)器件稍有不同,開啟電壓為27 V。

圖3 (a)Ag NPs局域表面等離子體共振增強(qiáng)n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件結(jié)構(gòu)示意圖; (b)參比的ZnO基LED和Ag NPs-1、Ag NPs-2以及Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs的電流-電壓(I-V)特性曲線。Fig.3 (a)Schematic diagram of Ag NPs localized surface plasmon resonance modified n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN heterostructures LEDs.(b)I-V characteristics of n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN heterostructures LEDs without Ag NPs,as well as with Ag NPs-1,Ag NPs-2 and Ag NPs-3.

圖4分別顯示了參比的ZnO基LED和Ag NPs-1、Ag NPs-2以及Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs的室溫下電致發(fā)光光譜,注入電流為1.0～4.0 mA。從圖中可以看出,n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs的電致發(fā)光光譜由400 nm處的發(fā)射峰和440 nm處的發(fā)射峰疊加而成,且隨著注入電流的增加,器件發(fā)光強(qiáng)度增大。400 nm附近的紫外發(fā)光來(lái)源于n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs中i-ZnO薄膜層的近帶邊復(fù)合發(fā)射,而440 nm附近的發(fā)光來(lái)源于p-GaN層中導(dǎo)帶電子到Mg相關(guān)的受主能級(jí)的輻射躍遷[14],具體發(fā)光過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14,21]。對(duì)比圖4(b)、(c)、(d)與圖4(a),在相同注入電流下,相比于沒(méi)有Ag NPs修飾的ZnO基LED,Ag NPs-1、Ag NPs-2以及Ag NPs-3修飾的LEDs器件的電致發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的增強(qiáng)現(xiàn)象。分析認(rèn)為, LEDs的電致發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)是由于Ag NPs的局域表面等離子體激元與LEDs中電子-空穴對(duì)或光子之間的相互耦合作用所引起的[20-21]。在正向注入電流的作用下,n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件內(nèi)部產(chǎn)生的部分電子-空穴對(duì)復(fù)合形成光子,當(dāng)光子的能量與Ag NPs的局域表面等離子體激元能量相匹配時(shí),激發(fā)Ag NPs產(chǎn)生局域表面等離子體共振,Ag NPs表面電磁場(chǎng)極大地增強(qiáng)。該高強(qiáng)度的能量場(chǎng)加快了LEDs中電子-空穴對(duì)復(fù)合的速率,使得LEDs中一部分本來(lái)有可能發(fā)生非輻射復(fù)合的電子-空穴對(duì)也發(fā)生輻射復(fù)合放出光子,從而提高了器件的發(fā)光量子效率,增強(qiáng)了器件的發(fā)光。

圖4 不同注入電流下,參比的ZnO基LED(a)、Ag NPs-1(b)、Ag NPs-2(c)和Ag NPs-3(d)修飾的ZnO基LEDs的室溫電致發(fā)光光譜,電流變化范圍為1～4 mA。Fig.4 EL spectra of n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN heterostructures LEDswithout Ag NPs(a),aswell aswith Ag NPs-1(b),Ag NPs-2(c),and Ag NPs-3(d)under various injection currents ranging from 1 to 4 mA.

從圖4還可以發(fā)現(xiàn),隨著Ag NPs密度的增加,LEDs發(fā)光的增強(qiáng)倍數(shù)出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象。在相同注入電流下,相比于沒(méi)有Ag NPs修飾的ZnO基LED器件,旋涂1次Ag NPs的LEDs的電致發(fā)光強(qiáng)度增大;旋涂2次Ag NPs后,LEDs的電致發(fā)光強(qiáng)度繼續(xù)增大;然而當(dāng)Ag NPs的旋涂次數(shù)再次增加時(shí),器件發(fā)光的增強(qiáng)效果反而稍稍下降。為了研究Ag NPs的密度對(duì)LEDs器件發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)效果,我們將參比的ZnO基LED和Ag NPs-1、Ag NPs-2以及Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs的電致發(fā)光的幅值隨注入電流變化的關(guān)系顯示在圖5中。從圖中可以看出,在注入電流為2.5 mA時(shí),旋涂1次Ag NPs的LED發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)了約1.4倍,旋涂2次Ag NPs的LED發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)了約1.9倍,而旋涂3次Ag NPs的LED發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)約為1.7倍。分析認(rèn)為,當(dāng)ZnO基LEDs器件旋涂1次Ag NPs時(shí),器件中覆蓋Ag NPs密度較低,這些Ag NPs與LEDs中電子-空穴對(duì)或光子共振耦合,提高了LEDs的電致發(fā)光效率。但是由于器件中Ag NPs的量比較少,LEDs中電子-空穴對(duì)或光子得不到Ag NPs局域表面等離子體激元的有效耦合,因此LEDs的電致發(fā)光效率提高得有限。當(dāng)增加Ag NPs的密度時(shí),Ag NPs的局域表面等離子體激元與發(fā)光器件中更多的電子-空穴對(duì)或光子相互共振耦合,從而使LEDs的電致發(fā)光效率進(jìn)一步提高。但是,進(jìn)一步增加發(fā)光器件中Ag NPs的密度時(shí),發(fā)光器件中的電子-空穴對(duì)或光子與Ag NPs局域表面等離子體激元之間的耦合已經(jīng)達(dá)到飽和,無(wú)法再繼續(xù)提高發(fā)光器件的發(fā)光效率。

圖5 參比的ZnO基LED和Ag NPs-1、Ag NPs-2以及Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs的電致發(fā)光強(qiáng)度隨注入電流的變化關(guān)系。Fig.5 Normalized EL intensities of LEDs without Ag NPs, aswell as with Ag NPs-1,Ag NPs-2,and Ag NPs-3 as a function of the injection current.

從圖4和圖5中還可以看出,旋涂了3次Ag NPs后,LEDs發(fā)光的增強(qiáng)效果出現(xiàn)降低現(xiàn)象,這其可能是以下兩個(gè)原因所導(dǎo)致:

(1)由前面的分析可知Ag NPs要發(fā)生局域表面等離子體共振耦合增強(qiáng)發(fā)光,首先要吸收光子,因此,在Ag NPs-3修飾的LEDs中,過(guò)多的金屬納米粒子可能會(huì)消耗更多的光子,從而導(dǎo)致器件發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)倍數(shù)下降。這在前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中也有相應(yīng)的證據(jù),如圖2(a)和(b)中Ag NPs-3修飾的ZnO薄膜相比于其他樣品透過(guò)率明顯下降、消光度明顯升高。推斷認(rèn)為,ZnO薄膜上負(fù)載了過(guò)多的Ag NPs,由于Ag NPs對(duì)光子的吸收及散射作用導(dǎo)致了ZnO薄膜的光透射率下降,致使LEDs的光子出射效率降低,從而使得LEDs發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)倍數(shù)下降。

(2)LEDs中引入過(guò)多的Ag NPs會(huì)引起器件電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。如圖3(b)所示,Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs的I-V特性與其他3個(gè)器件有差異,相同的輸入電壓下,其電流比其他器件小。這是由于Ag NPs-3修飾的ZnO基LEDs負(fù)載Ag NPs的量比較多,在器件的制備過(guò)程中影響了后續(xù)過(guò)程中制備n-ZnO薄膜層的質(zhì)量,從而降低了Ag NPs的局域表面等離子體共振增強(qiáng)效果。

綜合這兩方面因素,可以認(rèn)為在發(fā)光器件中引入過(guò)多的金屬納米粒子會(huì)引起發(fā)光器件的光透過(guò)率和電學(xué)性能下降,導(dǎo)致局域表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)LEDs發(fā)光強(qiáng)度的效果變差。

4 結(jié) 論

利用MBE技術(shù)與化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合制備了不同密度Ag NPs局域表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LEDs器件,并研究了器件中的Ag NPs的形貌、光學(xué)性質(zhì)以及Ag NPs修飾的ZnO基LEDs器件的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)LEDs中的Ag NPs的密度較低(旋涂1次)時(shí),Ag NPs可以實(shí)現(xiàn)局域表面等離子體共振增強(qiáng)LEDs的發(fā)光強(qiáng)度,發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)為1.4倍;當(dāng)器件中Ag NPs的密度增加(旋涂2次)時(shí),LEDs的發(fā)光強(qiáng)度隨之增大,發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)上升為1.9倍;但是當(dāng)器件中Ag NPs的密度繼續(xù)增加(旋涂3次)時(shí),過(guò)多的金屬納米粒子會(huì)影響LEDs的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì),局域表面等離子體共振增強(qiáng)LEDs的發(fā)光強(qiáng)度的效果反而變差,發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)為1.7倍。

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Localized Surface Plasmon Resonance Enhanced Electrolum inescence from ZnO-based Light-em itting Diodes via Optim izing The Density of Sliver Nanoparticles

QIAO Qian1*,SHAN Chong-xin2*,LIU Juan-yi1,TAO Li-fang1, WANG Rui1,ZHANG Cun-xi1,LIBing-hui2,SHEN De-zhen2

(1.School ofNaval Architecture and Ocean Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China; 2.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute ofOptics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy ofSciences,Changchun 130033,China)
*Corresponding Author,E-mail:qian_qiao@aliyun.com

Localized surface plasmon resonance enhanced n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN heterostructure light-emitting diodes(LEDs)with different sliver nanoparticles(Ag NPs)density were fabricated usingmolecular-beam epitaxy technique.It is found that the introduction of Ag NPswith suitable density is favorable for the effective resonant coupling between excitons in ZnO and the localized surface plasmons of Ag NPs,and thereby significantly improves the electroluminescence(EL)performance of the device.Note that the enhancement ratio increases firstly with the Ag NPs density and then decreases,and the variation is believed to be resulted from balance between the enhancement caused by the resonant coupling between the excitons in ZnO and the localized surface plasmons of Ag NPs and the extinction of the emitted photons by the Ag NPs.

localized surface plasmon resonance;light-emitting diodes;sliver nanoparticles;electroluminescence

喬倩(1985-),女,安徽五河人,博士,講師,2012年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事半導(dǎo)體光電子材料與器件、金屬納米粒子光學(xué)性質(zhì)等方面的研究。E-mail:qian_qiao@aliyun.com

單崇新(1977-),男,河南長(zhǎng)垣人,研究員,博士生導(dǎo)師,2004年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事半導(dǎo)體光電子材料與器件方面的研究。E-mail:shancx@ciomp.ac.cn

TN383+.1

A

10.3788/fgxb20153612.1363

1000-7032(2015)12-1363-07

2015-08-01;

2015-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(11304281);浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)項(xiàng)目(21065013213)資助