金屬表面等離子體增強(qiáng)硅基半導(dǎo)體材料發(fā)光.pdf

1、隨著建立在硅材料基礎(chǔ)上的大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，過高的互連和集成度帶來了信號(hào)延遲和器件過熱的問題，給以大規(guī)模集成電路為代表的微電子工業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來了很大的困難，而硅基光電子集成則是解決這一難題的理想途徑。但是，高效率的硅基發(fā)光材料和器件國際上依然沒有解決。而將金屬表面等離子體用于增強(qiáng)發(fā)光材料和器件量子效率，則是研究的熱點(diǎn)。本文將表面等離子體用于提高硅基發(fā)光材料和器件的發(fā)光效率，不僅在表面等離子耦合發(fā)光的機(jī)理研究上有重要的理論探索意義

2、，而且在硅基光電子領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。
　　 本文制備了金屬島膜和核-殼陣列結(jié)構(gòu)，研究了影響其形貌和表面等離子體共振特性的因素，在此基礎(chǔ)上將金屬銀島膜用于增強(qiáng)硅基ZnO薄膜和富硅氮化硅薄膜的發(fā)光強(qiáng)度，并且詳細(xì)研究了影響材料與表面等離子體耦合發(fā)光的因素以及耦合作用機(jī)理。取得如下有創(chuàng)新意義的結(jié)果：
　　 (1)利用磁控濺射法制備了Ag島膜，掌握了調(diào)節(jié)其表面等離子體共振特性的各種參數(shù)。研究通過不同熱處理工藝，改變銀島膜的形貌

3、，進(jìn)而調(diào)節(jié)其表面等離子共振波長。研究發(fā)現(xiàn)：200℃的快速熱處理可使共振波長有較大藍(lán)移，在不同溫度下的常規(guī)熱處理可以連續(xù)調(diào)節(jié)銀島膜的表面等離子共振波長。
　　 (2)利用聚苯乙烯球(PS)為模板，制備了Ag和Au的核.殼結(jié)構(gòu)陣列，掌握了調(diào)節(jié)其表面等離子體共振特性的各種參數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著濺射時(shí)間增加，殼層變厚，其偶極表面等離子體共振頻率藍(lán)移。在利用熱處理的方法去除PS球模板后，金屬核-殼的介電環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而偶極等離子共振頻率發(fā)

4、生藍(lán)移，實(shí)驗(yàn)還確定了熱處理去除模板的適宜溫度和所需時(shí)間。
　　 (3)利用Ag島膜增強(qiáng)了ZnO薄膜的帶間發(fā)光，確定了能量傳遞.散射的表面等離子體耦合機(jī)理。ZnO帶間發(fā)光和缺陷發(fā)光分別與Ag島膜的面外和面內(nèi)局域表面等離子體共振模式耦合，導(dǎo)致了帶間和缺陷發(fā)光熒光強(qiáng)度變化的不同，并且發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)表面等離子共振達(dá)到控制耦合發(fā)光強(qiáng)度的目的。研究了Ag顆粒大小、探測(cè)方向、ZnO薄膜的厚度以及溫度等因素對(duì)Ag島膜耦合增強(qiáng)ZnO薄膜發(fā)光的影

5、響，并且分析了不同條件下耦合發(fā)光的機(jī)理。
　　 (4)發(fā)現(xiàn)了Ag島膜耦合增強(qiáng)ZnO薄膜發(fā)光對(duì)襯底折射率的依賴。通過理論計(jì)算，指出其原因主要是由于高折射率襯底會(huì)給體系引入襯底模式，該模式會(huì)對(duì)耦合進(jìn)入表面等離子體模式的能量造成競(jìng)爭，進(jìn)而影響表面等離子體經(jīng)散射作用而輻射出去的能量。近一步地，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四層結(jié)構(gòu)，避免了襯底模式對(duì)能量的損耗，達(dá)到了表面等離子體耦合增強(qiáng)硅基ZnO薄膜發(fā)光的目的。
　　 (5)利用Ag島膜的局域表面等