文摘
我们调查了实验plasmon-enhanced非晶硅量子点的光致发光量子点(硅)发光装置(led):晶硅量子点/ Ag三明治纳米结构,通过晶硅量子点之间的耦合和局部表面等离子体极化声子(LSPPs)模式,通过调优一维(1 d) Ag)光栅。表面等离子体耦合的顶部和底部:晶硅量子点接口导致局部表面等离子体极化声子(LSPPs)在下面Ag)线,表现出法布里-珀罗谐振。从拉曼光谱,它证明了嵌入在制备硅量子点的存在电影(:晶硅量子点)在较低的退火温度(300°C)以防止可能的Ag原子扩散Ag)的电影。量子点的光致发光(PL)光谱的晶硅可以精确调整1 d Ag)光栅与不同的音高和Ag)线宽度。一个优化Ag)光栅结构,与500纳米和125纳米Ag)线宽,被发现来实现在526 nm PL提高4.8倍和2.46倍PL整体强度比晶硅量子点发光二极管没有Ag)光栅结构,由于强烈的晶硅QDs-LSPPs耦合。
1。介绍
硅量子点量子点(Si)发光设备(led)集中调查近年来作为一个有前途的光源,为下一代Si-based光电子集成电路(集成)1- - - - - -4]。硅量子点发光二极管的优势在于兼容的制造工艺与互补金属氧化物半导体(CMOS)和低成本制造。然而,实现实际应用量子点如果在集成led需要排放强度高,窄光谱带,低温合成量子点的Si。最近,表面电浆子(SPs),表面等离子体极化声子(许可证)和局部表面等离子体极化声子(LSPPs),吸引了大量的关注显著增强的光致发光(PL)强度的近场耦合量子点Si SPs (5- - - - - -8]。同时,修改后的电磁响应的SPs metal-insulator-metal (MIM)三明治纳米结构的耦合SPs已被广泛研究[9- - - - - -16]。通过近场耦合相互作用强烈取决于绝缘子的厚度和金属表面纹理的结构参数。根据费米黄金定律,电场强度和LSPPs模式的态密度在发射器位置辐射复合率直接相关量子点的激子偶极子晶硅(17,18]: 在哪里表示晶硅量子点的激子偶极矩,是电场强度,的态密度LSPPs模式。晶硅量子点的辐射复合速度可以大大提高晶硅QDs-LSPPs耦合,导致量子点晶硅的PL强度的增加。虽然PL强度的增强晶体硅量子点(量子点同单晶硅)已经被报道通过SPs耦合效应(5- - - - - -8),没有以前的报告关于晶硅量子点发光二极管通过PL强度增强的晶硅QDs-LSPPs耦合,在MIM三明治纳米结构。在本文中,我们报告增强集成PL强度和窄的半峰全宽(应用PL光谱的量子点晶硅发光二极管,Ag / SiOx三明治:晶硅量子点/ Ag纳米结构相对于硅发光二极管没有Ag)光栅,造成量子点晶硅和LSPPs之间的强耦合。最高4.8倍PL增强因子和PL整体强度提高246%已经观察到,对于一个优化Ag)晶硅QDs-LSPPs强耦合光栅结构。我们也证明量子点形成晶硅嵌在制备SiOx电影(SiOx:晶硅量子点)较低的退火过程(300°C)和PL光谱测量量子点:晶硅(股价)[源自量子限制效应19- - - - - -22]。
2。实验
的制造过程trilayer Ag /三明治:晶硅量子点/ Ag纳米结构描述如下。首次涂硅衬底100 nm厚的Ag)电影用热蒸发。然后,100 nm厚的制备“(SRO”,)薄膜沉积在Ag)电影利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD) "系统的压力在67 Pa nitrogen-diluted 5%硅4和N2O为反应物气体来源。N的流量2O气体维持在30 sccm和硅4/ N2O流量的比例5.53:1。样品被加热到350°C和射频功率保持在30 W“在SRO”电影的增长。“沉积后,SRO”电影在300°C 1小时的退火与流动N石英炉2气体,形成:晶硅量子点的电影。然后,1 d周期性Ag)光栅是捏造的:量子点晶硅薄膜使用电子束光刻技术(电子束)(Elionix els - 7500)和发射过程。首先,300 nm厚的正类型电子束抵制(日本Zeon齐柏林飞艇- 520 a)是旋转的样本之后,随后的电子束光刻的光栅模式定义和线宽。责任周期()的股价光栅固定在25%。第二,50 nm厚的银薄膜沉积到图案的电子束抵制和Ag)光栅是通过发射过程在一次独家制作剂(日本Zeon ZDMAC)。图1显示装置的示意图表示与Ag /:晶硅量子点/纳米Ag三明治。设备的结构参数(样品a e)表中列出1。扫描电子显微镜(SEM)图像的Ag)光栅(样品中)如图2。室温的光致发光(PL)光谱获得从氦镉激光激发下操作纳米和平均功率50 mW。PL强度在350 nm和750 nm记录使用单色仪(CVI DK240)与一个光电倍增管(滨松R928)和数字万用表(惠普34401 a)。反射光谱测量的光学显微镜组成的单色仪(Horiba Jobin Yvon国际卫生条例320)和宽带卤素灯作为白色光源通过20 x事件客观(NA = 0.75)的正常金属表面(设在)。和反射的光收集相同的目标。制备的折射率电影是由一个椭圆计(JA Woollam m - 2000 - di)。每个银薄膜的厚度:量子点晶硅薄膜是由原子力显微镜(AFM), Veeco D5000)。Si / O“组成比例和concentration-depth SRO”电影是用x射线光电子能谱(XPS,热费希尔科学θ探测器)。晶硅量子点的存在和大小由拉曼光谱测定(Horiba Jobin Yvon T64000)。
3所示。结果和讨论
3.1。材料分析的SiOx量子点:晶硅薄膜
图3(一个)表明SiO concentration-depth概要文件x通过使用硅量子点:晶硅薄膜进行阿,和Ag)山峰从XPS分析。如果平均SiO的浓度x量子点:晶硅薄膜大约是48.27。%。SiO Si / O组成率高x观察到量子点:晶硅薄膜,由于高硅4/ N2O流量的比例5.53:1在PECVD增长。"因为有过度Si原子和不足O原子,Si原子量子点可以简单地和积累形成晶硅,不受制于Si-O SiO的债券x薄膜在退火过程中(23,24]。因此,我们得出结论,可以合成量子点晶硅在退火温度较低(300°C)。Ag原子没有扩散到SiOx量子点:晶硅薄膜从底部Ag)薄膜在退火过程中,如图3(一个)。拉曼光谱被用来分析量子点的大小如果通过拉曼峰的能量转移和记者谱线增宽(25]。图3 (b)表明SiO的拉曼光谱x:量子点晶硅膜可以分为两个部分。一个组件对应于量子点晶硅,表现出峰值为490厘米−1应用的33厘米−1。拉曼减速和应用价值表明,硅量子点的大小约1.7纳米。图3 (c)介绍了室温PL光谱的量子点晶硅发光二极管没有Ag)光栅结构(样本),表明中心发射波长约为510纳米。量子点的中心发射波长1.7 nm-sized晶硅显示了良好的协议与SiO的光发射特性的理论研究x:量子点晶硅薄膜(20.]。因此,量子点晶硅嵌在SiO的存在x矩阵与低退火过程(300°C)特此证明由拉曼光谱。同时,量子点晶硅的主要PL峰和氧的PL光谱重叠不相关的缺陷(26- - - - - -28]。另一方面,量子点晶硅(~ 1.7海里)越小,股价越强是超越界面状态复合(22,29日]。因此,我们得出这样的结论:测量PL光谱来源于量子点晶硅的股价。
(一)
(b)
(c)
3.2。光学性质分析(示例模拟)
的反射光谱样本中在图所示4表现出反射减弱,可以归因于灭绝由于励磁LSPPs在顶部Ag / SiO吗x量子点:晶硅界面。这是因为当SiOx:量子点晶硅膜足够薄,顶部的许可证兴奋Ag / SiOx:量子点晶硅界面TM-polarized晶硅量子点发出的光将与底部的许可证夫妇Ag / SiOx:量子点晶硅界面通过消散字段(11- - - - - -16]。强耦合效应导致LSPPs励磁,展品的法布里-珀罗谐振方向的两个侧壁之间(Ag)行11- - - - - -15]。这是发现LSPPs共振满足这个方程: 在哪里Ag)线宽,的共振波长LSPPs(最小反射的波长),有效折射率SiO吗x量子点:晶硅薄膜,是一个整数(LSPPs模式)。每个样本的观察到共振波长425 nm(示例B,)、526 nm(示例C,)、629 nm (D样本,)、731 nm和380 nm (E,样本和),分别。LSPPs共振波长与Ag)线宽增加。SiO最初的折射指数x量子点:晶硅薄膜由椭圆计425,526,629,731,380海里,1.95,1.94,1.93和1.99,分别。在我们的Ag / SiOx:晶硅量子点/ Ag三明治纳米结构、SiO的有效折射率x:量子点晶硅膜1.076增加到-1.083倍的原始值,由于LSPPs之间的交互和诱导偶极子图像(相反的方向)30.]。图5显示的是测量室温PL光谱样品a e。样品的PL综合强度中得到了增强样本作为参考样本相比,通过增加辐射复合量子点的晶硅由于LSPPs耦合模式。根据费米黄金法则(18),当激子偶极矩晶硅量子点的强烈夫妇LSPPs的近场辐射复合的晶硅量子点可以增强LSPPs的态密度大,导致排放强度的增加。最大的增强集成PL强度达到246%和67海里的最窄的半最大值宽度示例C,由于原来的中心之间的密切匹配晶硅量子点的发射波长(510 nm)和LSPPs共振波长(526海里)。示例C显示最强的晶硅QDs-LSPPs耦合在样品中。之间的不匹配原始中心发射波长的量子点晶硅和LSPPs共振波长为样品B, D和E的结果不仅降低PL整体强度的增强和扩大应用示例C,但也扭曲的发射光谱。因此,样品的PL综合强度B, D和E只提高了172%,161%,和132%,分别。样品B, D和E, multipeaks PL光谱图中观察到5对应于原晶硅量子点发射峰和各自的兴奋LSPPs模式如图4。这种现象是由于电场强度和密度的增加的州LSPPs模式的发射器的位置附近的波长LSPPs共振,导致辐射复合的增强率和发射强度。样品的主要PL峰B, D, E从原来的中心发射波长的量子点晶硅转移向各自LSPPs共振波长。图6显示了情节的PL增强因子,,在那里和是样品的PL强度和没有Ag)光栅。PL的情节增强因子表现出红移与Ag)线宽的增加,类似于反射下降的趋势,这表明PL增强因素强烈符合LSPPs模式。从结果,观察最大PL增强因子为4.8在526 nm示例C由于强烈的晶硅QDs-LSPPs耦合。因此,值得注意的改进设计Ag)光栅结构通过调整音高和Ag)线宽最大的PL综合排放通过强大的晶硅QDs-LSPPs耦合。
4所示。结论
总之,我们提出了plasmon-enhanced PL强度与Ag / SiO晶硅量子点的发光二极管x三明治:晶硅量子点/ Ag纳米结构造成量子点晶硅和LSPPs模式之间的强耦合。发现LSPPs兴奋Ag)线下面,这表现出产生的法布里-珀罗谐振耦合Ag)光栅顶部和底部之间的许可证Ag)的电影。PL光谱窄67海里的半最大值宽度、最大的4.8倍PL增强因子,和最大的2.46倍PL综合强度,比晶硅量子点发光二极管没有Ag)光栅结构,已经观测到一个优化Ag)晶硅QDs-LSPPs强耦合光栅结构。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢台湾科学技术部的金融支持研究合同。大多数102 - 2221 - e - 002 - 205 - my3和大多数104 - 3113 - e - 155 - 001,国立台湾大学的目的104 r7607-4和104 r8908顶尖大学项目。