一种增强ZnO微米线/纳米线紫外发光强度的方法
【技术领域】
[0001]本发明是采用5^11^02复合基底，增强ZnO微米线和纳米线的紫外发光强度的一种设计方案，制备工艺及检测技术，复合基底中的Au薄膜厚度为60?70nm，SiCV薄膜厚度为5?10nm。本发明促使基于ZnO微纳结构的光电系统和发光器件在半导体技术，生物医学，能源环境等领域的应用。
【背景技术】
[0002]氧化锌(ZnO)是六方纤锌矿结构的直接宽带隙半导体，禁带宽度为3.37eV，对应紫外发光波段，激子束缚能高达60meV。ZnO纳米线的制备工艺简单，成本低，具有强的激子效应。基于ZnO纳米线的功能器件，如纳米激光器，光电子探测器，场效应管，生物传感器，光催化，太阳能电池等已成为光电子领域研宄的热点材料，具有重要应用并显示出广泛的应用前景。
[0003]ZnO材料在生长中容易产生氧空位等晶体缺陷，使其辐射跃迀几率和发光性能降低。如何提高其发光效率是应用中亟待解决的问题。通过改进材料的结构和工艺，可提高ZnO材料/器件的质量和发光效率，但受到材料本身能带结构，以及生长技术和衬底等限制，难以使ZnO的发光效率大幅度提高。
[0004]近年来，人们开始尝试用金属表面等离子激元(Surface pIasmonpolarit1n, SPP)耦合增强光发射的特性，增强半导体发光材料的光发射效率。SPP是金属表面的自由电子在光或电子福照下发生集体振荡后，与光波电磁场之间的相互作用。利用金属表面等离激元的局域场及耦合效应，可提高半导体发光中心的光子态密度，增强半导体微纳结构的局域电磁场，提高材料的辐射跃迀几率。因此，采用SPP结构已成为增强半导体材料的光发射，以及改变半导体材料的能带结构/波长的有效手段，引起人们极大的兴趣和广泛的关注。
[0005]根据文献报道，利用Au和Ag等贵金属的局域表面等离子体(包括纳米颗粒，岛状，多孔状及光栅状薄膜)的共振耦合，可增强ZnO薄膜和纳米线阵列，GaAs单量子，InGaN量子阱，Si量子点，LED及肖特基二极管的荧光或电致发光强度，以及调制CdS等纳米线的波长。
[0006]为避免发光半导体与Au，Ag，Pt，Cu等贵金属SPP结构因距离太近造成能量转移淬灭，可以在半导体与金属膜SPP之间加入隔离层，如半导体材料GaN，有机材料PMMA，或介电材料3102等，使载流子在介电层和半导体微纳结构的界面积累，从而进一步增强金属SPP结构的自由电子与光子的相互作用，形成金属表面等离激元的高局域场及强耦合，产生共振，增强半导体材料的光发射性能。
【发明内容】
[0007]本发明制备一种3^11-5;[02复合基底，增强ZnO微米线和纳米线发光强度的设计方案和制备方法。
[0008]一种增强ZnO微米线/纳米线紫外发光强度的方法，其特征在于，按照以下步骤进行:
[0009]一.衬底的清洗:采用单晶硅片为复合基底中的衬底，分别采用丙酮和乙醇进行超声波清洗；
[0010]二.Au薄膜的制备:采用磁控派射技术，在Si衬底上生长一层厚度为60?70nm的Au膜；
[0011 ] 三.3;102介质层的制备:在Au膜上生长一层S1 2薄膜做为介质层，得到S1-Au-S12复合基底，S12薄膜厚度为5?10nm ；
[0012]四.ZnO纳米线的选用:采用具有〈0001〉取向的ZnO纳米线或微米线，直径分别为I?3 μ m和200?500nm，长度为20?600 μ m ；
[0013]五.将ZnO微米线/纳米线放入乙醇溶液或蒸馏水中，经超声波分散3?5min后，用滴管滴在S1-Au-S12复合基底上。
[0014]进一步，SiCV薄膜的厚度为5?lOOnm。厚度为5?1nm时，得到最强的紫外发光增强效果。
[0015]进一步，激发ZnO纳米线的紫外发光峰，加速电压为3?30kV，其中加速电压为1kV时，得到最强的紫外发光增强效果。
[0016]进一步，激发ZnO微米线的紫外发光峰，加速电压为3?30kV，其中加速电压为15kV时，得到最强的紫外发光增强效果。
[0017]采用扫描电镜(SEM)中配置的阴极荧光谱仪(CL)，检验S1-Au-S12复合基底对ZnO微米线/纳米线的紫外光的增强效果，SEM的入射电子束加速电压为3?30kV，入射电子流为1(Γ8?ΙΟ,Α，工作距离为12.5?13mm，放大倍率为4000 X?20，000 X?，物镜光阑为40?100 μ m，电流束斑为3?5 ;CL谱仪的光电倍增管探测器(PMT)电压为500?1500V,荧光探测波长为200?960nm，衍射光栅为1200mm/1，狭缝为3?5mm，谱仪分辨率为
0.66nm ;采用上述SEM和CL测试参数，可以激发纳米线/微米线产生强的辐射跃迀几率，辐射发光和高的探测效率，其中，当S12厚度为5?1nm的复合基底上的ZnO微米线和纳米线的紫外发光强度，比无复合基体的发光强度明显增加，5nm的复合基底上的ZnO微米线和纳米线的紫外发光强度分别增加了 5倍和20倍；
【附图说明】
[0018]图1是由步骤一到步骤四制备出的3;^11-5;[02复合基底，及在其上沉积的ZnO微米线/纳米线的示意图，其中Au薄膜厚度为60?70nm，S12薄膜厚度为5?lOOnm。ZnO微米线的直径为I?3 μ m，ZnO纳米线直径为200?500nm，微米线和纳米线的长度为20?600 μ m ；
[0019]图2采用的扫描电镜(SEM)与阴极荧光谱仪(CL)测试系统(SEM-CL)示意图。图2中，I一电子束，2一电磁透镜，3一样品室，4一样品台，5—样品，6—阴极焚光谱仪。
[0020]图3是放置在S1-Au-S12复合基底上的ZnO微米线和纳米线的扫描电镜二次电子(SE)像和相对应的阴极荧光(CL)像。图3 (a)和(b)是直径为2.48 μ m的SE像和CL像，(c)和(d)是直径为500nm的SE像和CL像。
[0021]图4比较了放置在3^11^02复合基底上和单晶硅衬底上的300nm-Zn0纳米线的阴极荧光谱。图5比较了放置在3^11^02复合基底上和单晶硅衬底上的1.6 μπι-ΖηΟ微米线的阴极荧光谱。
[0022]图6是采用不同的SEM入射电子束能量，激发300nm-Zn0纳米线的紫外发光峰。
[0023]图7是采用不同的SEM入射电子束能量，激发1.6 ym-ZnO微米线的紫外发光峰。
【具体实施方式】
[0024]—.衬底的清洗:采用〈100〉取向的η-型单晶硅片为复合基底中的衬底，分别采用丙酮和乙醇，进行超声波清洗各5min ；
[0025]二.Au薄膜的制备:采用磁控派射技术，在Si衬底上生长一层厚度为60?70nm的Au膜，溅射功率为250W，速率为0.46nm/s、真空度为lOmtorr，Ar气流量为40scum ；
[0026]三、S12介质层的制备:采用PECVD技术，在Au膜上再生长一层S1 2薄膜做为介质层，得到S1-Au-S12复合基底，S1 2薄膜厚度分别为5nm，10nm，20nm和10nm厚。
[0027]四、ZnO纳米线的选用:采用具有〈0001〉取向的ZnO纳米线和微米线，直径分别为I?3 μ m和200?500nm，长度为20?600 μ m ；
[0028]五、