표면 플라스몬 공명 효과에 의한 은 나노입자 어레이의 ZnO에서 향상된 UV 방출

결과 및 토론

실험을 수행하기 전에 Ag NP 어레이의 다양한 직경과 공간이 전기장 분포와 표면 플라즈몬 공명 파장에 미치는 영향을 분석하기 위해 FDTD(finite-difference time-domain) 방법에 의한 수치 계산을 수행했습니다. 전기장 분포 및 산란 단면적(Q _scat ) Ag NP 어레이의 스펙트럼은 z -중심선. 분석 그룹은 빛의 산란 단면을 모니터링하기 위해 광원 외부에 배치되었습니다. Ag의 광학 매개변수는 Lumerical FDTD 솔루션 소프트웨어의 재료 데이터베이스에서 CRC 모델로 선택되었습니다. 직경이 40nm이고 공간이 100nm인 샘플 4에서 시뮬레이션된 공간 전기장 분포는 그림 2a에 나와 있습니다. Ag NP 주변의 국부 전자기장은 약 3.5배 향상되어 ZnO 필름의 여기자와 Ag NP 어레이의 SP 사이에 강한 결합을 일으켜 발광이 향상되었습니다. 그림 2b는 정규화된 Q를 보여줍니다. _scat 직경과 공간이 다른 Ag NP 어레이의 스펙트럼. 샘플 2에서 샘플 6까지 Ag NP 어레이의 표면 플라즈몬 공명 파장은 각각 379, 399, 381, 402 및 408nm입니다. 383nm 부근의 ZnO 필름의 NBE 방출을 고려할 때 Ag NP 어레이의 최적화된 직경과 공간은 샘플 4에서 40 및 100nm여야 합니다. Ag NP 어레이의 크기를 샘플 2에서 3으로 또는 샘플 4에서 5로 늘림 , 표면 플라즈몬 공명 파장은 동일한 공간 조건에서 적색 편이를 만듭니다. 샘플 3에서 4로 Ag NP 어레이의 공간을 늘림으로써 표면 플라즈몬 공명 파장은 동일한 직경 조건에서 청색 편이를 만듭니다. 따라서 Ag NP 어레이의 표면 플라즈몬 공명 파장은 Ag NP 어레이의 직경과 공간 모두에 따라 달라집니다.

아 직경이 40nm이고 공간이 100nm인 샘플 4의 시뮬레이션된 공간 전기장 분포. ㄴ 직경과 공간이 다른 Ag NP 어레이의 정규화된 산란 단면 스펙트럼

그림 3에서 전송된 AAO 템플릿과 해당 Ag NP 어레이가 SEM 이미지에 나와 있습니다. 그림 3a, c, e, g, i에서 볼 수 있듯이 샘플 2에서 샘플 6까지 AAO 템플릿의 평균 직경은 33, 38, 40, 61 및 71nm로 측정되었으며 해당 AAO 템플릿의 평균 공간은 63, 61, 100, 101, 124 nm이며 이는 표 1의 설계된 직경 및 공간과 일치합니다. 그림 3b, d, f, h, j에서 볼 수 있듯이 샘플에서 Ag NP 어레이의 평균 직경 2~샘플 6은 8, 37, 46, 64 및 79nm로 측정되었으며 Ag NP 어레이의 해당 평균 공간은 59, 62, 99, 102, 122nm입니다. AAO 템플릿의 직경이 33nm 정도로 작으면 주기적인 Ag NP 어레이를 형성하기 어렵습니다. 샘플 3, 4, 5에서 40~60nm 범위의 AAO 템플릿 직경은 Ag NP 어레이의 직경이 AAO 템플릿과 일치합니다. AAO 템플릿의 직경이 71nm만큼 클 때 스퍼터링된 Ag NP 어레이의 직경은 AAO 템플릿의 직경보다 약간 더 큽니다. 이는 Kapton 테이프 제거 시 Ag NP 분산 때문일 수 있습니다. 일반적으로 측정된 Ag NP 어레이 공간은 AAO 템플릿 공간과 잘 일치하고 설계된 크기와 일치합니다. 그리고 획득한 주기적인 Ag NP 어레이는 해당 AAO 템플릿을 적용하여 정확하게 제어할 수 있습니다.

a의 전송된 AAO 템플릿의 SEM 이미지 샘플 2, c 샘플 3, e 샘플 4, g 샘플 5, i 샘플 6 및 b의 해당 Ag NP 어레이 샘플 2, d 샘플 3, f 샘플 4, h 샘플 5, j 샘플 6

그림 4는 실온에서 다양한 샘플의 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 그림과 같이 383nm에서 지배적인 피크와 520nm 부근에서 약한 피크가 PL 스펙트럼에서 얻어지며, 이는 각각 ZnO의 NBE(Near Band-Edge) 방출 및 심층 수준 방출에 기인합니다. 깊은 수준의 방출은 산소 결손에 기인합니다[29]. NBE 피크와 깊은 레벨 피크 사이의 강도 비율은 Ag NP 어레이가 없는 샘플 1에서 14로 계산되었으며, 이는 ALD에 의해 성장된 ZnO 필름의 품질이 양호함을 나타냅니다. Ag NP 어레이가 있는 NBE 피크 강도는 Ag NP 어레이가 없는 것보다 높으며, 이는 ZnO 필름의 여기자와 Ag NP 어레이의 SP 사이의 결합에 기인하여 국부 전자기장을 향상시키고 ZnO의 자발적 방출 속도를 증가시킵니다. . 직경과 공간이 다른 샘플의 PL 곡선 중에서 직경 40nm 및 공간 100nm의 샘플 4에서 NBE 피크 강도가 가장 강하며, 이는 Ag NP 어레이가 없는 샘플 1보다 2배 더 큽니다. 직경 40nm, 공간 100nm의 Ag NP 어레이가 ZnO의 발광을 향상시키는 데 최적이며, 이는 위의 시뮬레이션 결과와 일치합니다. 게다가, 약 520nm의 심층 피크는 모든 샘플에서 거의 동일하여 NBE 피크와 샘플 4의 심층 피크 사이의 강도 비율이 28로 높아졌습니다.

실온에서 직경과 공간이 다른 샘플의 PL 스펙트럼

Ag NP 어레이를 추가하여 향상된 UV 광 방출의 메커니즘을 추가로 분석하기 위해 Ag NP 어레이가 없는 샘플 1과 Ag NP 어레이가 있는 샘플 2의 시간 분해 PL 붕괴를 그림 5에서 실온에서 수행했습니다. 붕괴 수명(τ ) 방정식 \(I\left(t\right)={I}_{0}\mathrm{exp}(-t/\tau )\). Ag NP 어레이가 없는 샘플 1 및 Ag NP 어레이가 있는 샘플 2의 감쇠 수명은 각각 1.49 및 1.24ns로 추론됩니다. 1.49에서 1.24ns로 감소된 붕괴 수명은 Ag NP 어레이가 있는 ZnO에서 더 빠른 붕괴 과정을 나타내며, 이는 Ag NP 어레이를 추가하여 개선된 자발적 방출 속도에 기인할 수 있으며 Ag NP 어레이의 SP와 여기자 사이의 결합을 향상시킵니다. ZnO.

380nm에서 Ag NP 어레이가 없는 샘플 1 및 Ag NP 어레이가 있는 샘플 2의 시간 분해 PL 붕괴

UV 발광의 개선을 더 설명하기 위해 Ag/Al₂의 에너지 밴드 다이어그램 O₃ /ZnO 구조는 그림 6에 나와 있습니다. Ag의 일함수는 4.26eV이고 ZnO의 전자 친화도는 4.35eV이며, 이는 Al₂ 근처에서 ZnO의 전도대 하향 굽힘으로 이어집니다. O₃ /ZnO 인터페이스. 10nm Al₂ O₃ 반도체에서 금속으로의 Fӧrster 유형의 비방사 에너지 전달 과정을 차단하기 위해 레이어를 적용했습니다[28]. Ag/Al₂에서 금속과 유전 매체 사이에 생성된 표면 플라즈몬으로 인해 O₃ 인터페이스에서 Ag NP 어레이 근처의 국부 전기장이 강화되어 입사광의 여기 에너지 밀도와 결합 거리 내에서 흡수된 광자의 수를 증가시킵니다. 동시에, 강화된 국부 전기장은 ZnO의 여기자와 결합하는 Ag NP의 표면 플라즈몬을 촉진하여 자발적 방출 속도를 개선하고 ZnO의 광발광 강도를 향상시킵니다. 또한 Ag NP 어레이의 전자가 SPR 수준으로 점프한 다음 ZnO의 전도대로 이동하는 또 다른 프로세스가 있을 수 있습니다[28]. 그리고 전도대에서 증가된 전자 밀도는 또한 ZnO의 NBE 방출을 향상시킬 것입니다.

Ag/Al₂의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램 O₃ /ZnO 구조