激光辐照构造氧化锌薄膜红、绿、蓝发光图形机理与关键技术研究

本项目拟通过研究激光辐照技术参数对氧化锌薄膜内本征缺陷、光致发光性能的影响，揭示激光辐照调控薄膜内本征缺陷及可见光发光位置的机理，实现激光微加工技术在同一片氧化锌薄膜上构造亚微米尺度的红、绿、蓝发光图形的新方法。首先，优化激光光束质量，集成气氛辐照室和数控三维平台，建立准分子激光辐照功能材料实验装置；其次，系统研究辐照能量密度、辐照时间、辐照气氛、辐照温度等对样品内本征缺陷类型、浓度以及光致发光的影响规律；然后，根据辐照前后样品的晶格结构、成分、微结构表征信息并结合密度泛函理论计算氧化锌本征缺陷能级分布，探究激光辐照调控氧化锌薄膜内本征缺陷的机理及其与可见发光相互关联的规律；在此基础上，研制不同尺寸和形状的掩模，达到对氧化锌薄膜可见发光位置和区域的调控。本项目的研究结果，将对局域控制和提高氧化锌光电器件的性能提供具有自主知识产权的技术基础。

本项目提出并采用激光辐照改变氧化锌薄膜内本征缺陷的方法，达到对其发光强度以及位置调控的目的，揭示氧化锌薄膜的发光机理。首先，提出了具有普适性的复杂光源能量分布的模拟方法，研制了两套准分子激光复眼均束器，均束效果非常理想，其中248 nm准分子激光均束装置加工窗（能量分布均匀度误差）在±2％，能量曲线平顶因子0.9，193nm准分子激光均束装置加工窗为±1.5％，能量曲线平顶因子0.9，自主设计并建立了准分子激光辐照功能材料系统；其次，系统研究了辐照技术参数对样品内本征缺陷类型、浓度以及光致发光的影响规律，发现：准分子激光辐照于氧化锌薄膜时，由于热效应和光化学效应同时存在，使得薄膜内本征缺陷如氧空位Vo，锌填隙Zni大量聚集，导致辐照后薄膜的电子载流子浓度大幅度提高，比辐照前增加了6个数量级，同时，其紫外发强度提高，可见光发光中心位置移动，此结果对于氧化锌类材料具有普适性。结合后退火处理以及XRD，XPS，Raman等分析手段，阐明了氧化锌薄膜紫外以及可见发光机理，其中，紫外发光归属为自由激子复合发光F0X，束缚激子发光D0X及其一阶声子伴线发光D0X-LO。可见光发光与本征缺陷密切相关，可划分为4个独立的发光带,红橙光(1.84 eV)归属为Oi发光、黄光(2.08 eV)归属为VO++发光、绿光(2.22 eV)归属为VZn以及蓝绿光(2.38 eV)。在此基础上，基本实现了氧化锌薄膜红橙/黄/蓝绿光的转变，通过添加掩模，可以构造不同颜色的发光微图形。值得说明的是，衬底差异以及生长条件的不同会导致氧化锌薄膜性能的巨大差别，为确保辐照结果的准确性以及再现性，除了从美国Cermet公司购买MOCVD方法生长的氧化锌单晶薄膜外，我们采用PLD技术在多种衬底上包括半导体/金属/绝缘体上制备了氧化锌薄膜，尤其在石墨烯衬底上获得发光性能优异的氧化锌薄膜，结合DFT以及USP理论，计算了氧化锌与石墨烯之间的界面能和吸附模型，具有一定的指导意义。此外，依托本项目建立的准分子激光辐照功能材料系统，开展了准分子激光辐照改变氧化锌，氧化锆等单晶材料的浸润性研究。在本项目的支持下发表/接受论文11篇，其中SCI论文5篇，EI论文4篇，已申请国家发明专利和实用新型专利4项、获得授权2项。