金属纳米颗粒表面等离激元增强半导体发光机理研究

The Surface Plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticle (NPs) attracted great scientific interest due to its wide applications, including biomarkers for molecular imaging, controlling drug delivery, optical switches, surface-enhanced Raman scattering, as well as enhancing the photoluminescence of semiconductor materials and devices. Recently, SP-mediated emission has also become a popular research topic because of the dramatic improvement of luminescence intensity and efficiency of light-emitting materials and devices. In fact, either photoluminescence (PL) quenching or enhancement was often observed in semiconductor-metal nanostructures coupling systems. However, the mechanisms of PL enhancement or quenching are not clear and still under hot debate due to the complicated coupling process between excitons and SPs. Understanding the coupling process and the mechanism are extremely important for the application of SP. We design a new nanostructural composites consisting of Ag NPs-SiO2-ZnO films by depositing ZnO films on Ag NP embedded silica substrates to investigate the coupling mechanism between excitons and SPs. Besides, the ion implantation used in the project is fully compatible with current wafer fabrication technology. Therefore, our results also provide a great opportunity for the creation of highly efficient optoelectronic devices.

金属纳米颗粒的表面等离子共振特性是纳米科技领域研究的一个热点，被广泛应用于生物标记、医学成像、药物输运、光开关、表面增强拉曼光谱以及增强半导体材料与器件发光等诸多方面。然而，利用金属表面等离子激元耦合半导体发光的研究处于起步阶段，且金属表面等离子和半导体相互作用的另一种结果是抑制半导体发光，对金属表面等离子与半导体激子的耦合机理及相互作用过程的认识还模糊不清。本项目拟通过构造Ag-SiO2-ZnO复合纳米结构薄膜，利用Ag纳米颗粒的表面等离子激元效应来提高ZnO的光致发光强度，系统研究金属表面等离子体与半导体激子间的相互作用过程，探索金属纳米颗粒与半导体薄膜的耦合机理及影响耦合效应的关键因素。另外，本项目研究与半导工艺具有很好的兼容性，为制备金属SPR增强型的光电子器件提供了新的途径，具有较高的科学意义、理论价值和应用价值。

金属纳米颗粒的表面等离子共振特性是纳米科技领域研究的一个热点，被广泛应用于生物标记、医学成像、药物输运、光开关、表面增强拉曼光谱以及增强半导体材料与器件发光等诸多方面。然而，利用金属表面等离子激元耦合半导体发光的研究处于起步阶段，且金属表面等离子和半导体相互作用的另一种结果是抑制半导体发光，对金属表面等离子与半导体激子的耦合机理及相互作用过程的认识还模糊不清。首先利用金属蒸发真空多弧离子源 (MEVVA源) 注入机，将Au、Ag离子注入到高纯石英玻璃衬底中来制备Au、Ag纳米颗粒，随后将注入样品在普通管式退火炉中退火处理。研究离子注入条件和热退火参数对金属纳米颗粒的形成、生长、分布以及光学性能的影响，采用光学吸收谱、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对注入样品的光学性能、表面形貌和微观结构进行了测试和表征。结果表明，采用该低压离子注入结合热退火工艺的方法，所制备的金属纳米颗粒具有很强的局域表面等离子体共振特性，同时该方法也为制备尺寸和分布可控的金属纳米颗粒提供了新的参考。然后，利用离子注入制备的金属纳米颗粒与半导体材料复合，构造Au(Ag)-SiO2-ZnO(CdTe)复合纳米结构体系，利用Au(Ag)纳米颗粒的表面等离子激元效应来提高ZnO(CdTe)的光致发光强度，系统研究金属表面等离激元与半导体激子之间的相互作用过程，探索金属纳米颗粒与半导体薄膜的耦合机理及影响耦合效应的关键因素，提出了关于金属和半导体纳米复合体系中半导体发光增强和猝灭的新机理。另外，本项目研究与半导工艺具有很好的兼容性，为制备金属纳米颗粒表面等离激元增强型的光电子器件提供了新的途径，具有较高的科学意义、理论价值和应用价值。