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局域表面等离激元增强光发射中银岛膜的制备和光学特性研究
- 1. 局域表面等离激元增强 强光发射中银岛膜的制备 和光学特 特性研究 严敏逸，马忠元*，王旦清，刘文强 孙红程 李伟 黄信凡 陈坤基 严敏逸 马忠元 马忠元* 王旦清 刘文强 强，孙红程，李伟，黄信凡，陈坤基 强 南京大学物理系，固体 南京大学物理系 固体微结构国家重点实验室 研究背景 近年来，利用表面等离激元（SP）和量子阱的耦合来提高显 近年来 利用表面等离激元（SP）和量子阱的耦合来提高显 利用表面等离激元 和量子阱的耦合来提高显 显示器件和固态光源的效率受到了广泛的关注。作为对金属表 显示器件和固态光源的效率受到了广泛的关注 作为对金属表 面电子集体振荡行为的描述，SPs分为表面等离极化激元（SPP）和局域表面等离激元（LSP），它们的渐逝场和有源层的耦合 面电子集体振荡行为的描述 SP 分为表面等离极化激元（SPP）和局域表面等离激元（LSP） 它们的渐逝场和有源层的耦合 为光发射效率的提高提供了一条有效的途径。我们小组在掺氧氮 为光发射效率的提高提供了 条有效的途径 我们小组在掺氧氮 条有效的途径。我们小组在掺氧氮 氮化硅（a 氮化硅（a-SiN:O）薄膜中发现的新发光组态，其光致发光峰位 氮化硅（ SiN:O）薄膜中发现的新发光组态，其光致发光峰位 ）薄膜中发现的新发光组态 其光致发光峰位 可调，位于450 nm至600 nm之间 如果在以 SiN:O为有源层的LED结构中引入LSP 将有利 进 步提高硅基黄绿波段 可调 位 位于450 至 nm之间。如果在以a 之间 如果在以a-SiN:O为有源层的LED结构中引入LSP，将有利于进 步提高硅基黄绿波段LED器 为有 的 结构中引 将有利于进一步提高硅基黄绿波段LED器 件的光发射效率。 件的光发射效率 实验和结果 II. II 表面形貌 貌和光学特性 I. 实 方法 I 实验方法 a) SEM表征 生 生长厚度为10 nm的 以石英和p Si为衬底，采用电子束 以石英和p-Si为衬底，采用电子束 以石英和 Si为衬底 采用电子束 样品的SEM图像 像如右图所示，随 像如右图所示 随 a b 蒸发的方法在室温下生长厚度分别 着退火温度的 的升高，总体趋势 的升高，总体趋势一 的升高 总体趋势 为10 nm、20 为 nm 20 nm和30 nm的银膜 在 和 nm的银膜，在 的银膜 致表现为金属 属颗粒尺寸的变大和 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃和500 ℃ ℃、300 ℃、400 间距的增加。其中，300 ℃以上 间距的增加 其中 下通过氮气保护对样品进行30分钟 退火的变化极 极为显著。 极为显著 的常规热退火处理。 的常规热退火处理 c d p-Si衬底上厚度为10 nm的银膜经不同温度常规热退火处理后的SEM图像 p Si衬底上厚度为10 (a) 200 ℃ (b) 300 ℃ (c) 400 ℃ (d) 500 ℃ a b c 常规热退火处理后的吸收谱 (a) 10 nm (b) 20 nm (c) 30 nm 石英衬底上厚度为10 nm、20 nm和30 nm的银膜经不同温度常 b) 石英衬底上的光学特性 对于不同的生长厚度 随着退火温 对于不同的生长厚度，随着退火温 温度的上升，长波段吸收峰位变化趋势相同：先红移，后蓝 温度的上升 长波段吸收峰位变化趋势相同 先红移 后蓝 移。对应SEM图像，随着颗粒间距的增大，耦合作用减弱，吸收峰位表现出更好的单色性；随着颗粒平行于衬底方向的尺 移 对应SEM图像 随着颗粒间距的增大 耦合作用减弱 吸收峰位表现出更好的单色性 随着颗粒平行于衬底方向的尺 对应 图像 随着颗粒间 的增大 收峰位表现出更好的单 性；随着颗粒平行于衬底方向的尺 寸的增大，吸收峰位 开始表现出红移的特性。长波段吸收峰 寸的增大，吸收峰位一开始表现出红移的特性。长波段吸收峰 寸的增大 吸收峰位 开始表现出红移的特性 长波段吸收峰 峰位的变化范围为395 nm至467 nm；对于生长厚度为20 nm和 至467 对于生长厚度为20 和 30 nm的样品，400 ℃退火后长波段峰位红移最大 的样品 400 ℃退火后长波段峰位红移最大。 d) a-SiN:O的发光峰位 a SiN:O的发光峰位 厚度为30 nm的银膜经400 ℃常规热退火处理后的反 厚度为30 nm的银膜经不同温度常规热退火处理后的 射谱（石英和p Si衬底）和吸收谱（石英衬底） 射谱（石英和p-Si衬底）和吸收谱（石英衬底） 反射谱 谱（p Si衬底） 谱（p-Si衬底） c) p Si衬底上的光学特性 以石英衬底上的吸收谱和反射谱为 p-Si衬底上的光学特性 为参照，通过分析p- 为参照 通过分析p Si衬底上的反射谱可得到p-Si衬底上银岛的相关光学性质。与 Si衬底上的反射谱可得到 Si衬底上银岛的相关光学性质 与 衬底 的反射谱可得到p 衬底 银岛的相关光学性质 与石英衬底相比 其 与石英衬底相比，其 p Si衬底上a SiN:O薄膜的光致发光谱 p-Si衬底上a-SiN:O薄膜的光致发光谱 (a)富氮a-SiN:O (b)富硅a-SiN:O ( )富氮 SiN O (b)富硅 SiN O 长波段峰位变化趋势相同，且总体红移，位于450 长波段峰位变化趋势相同 且总体红移 位于450 nm至620 nm之间。 至620 之间 结论 根据一般性Maxwell-Garnett理论 我们推算出ITO衬底上 岛的长波 根据 般性 般性Maxwell Garnett理论，我们推算出ITO衬底上 论 们推算 衬底上 上银岛的长波段吸收峰位于490 nm至579 nm ITO和p-Si 上 收峰 nm。ITO和p Si 衬底上的长波段峰位与有源层的发光峰位都有较大范围的 的重合。据此，可以针对a-SiN:O薄膜的发光峰位选择银 的重合 据此 可以针对 SiN O薄膜的发光峰位选择银 据此，可以针对 薄膜的发光峰位选择银 膜的生长和处理条件，以实现LED结构中有源层和LSP之间 膜的生长和处理条件 以实现LED结构中有源层和LSP之间 间的耦合，提高硅基黄绿波段LED器件的光发射效率。目 间的耦合 提高硅基黄绿波段LED器件的光发射效率 目 前，PL和EL的测量工作正在进行中。 前 PL和EL的测量工作正在进行中 email:?zyma@ j d il y @ @nju.edu.cn