Amélioration de l'émission UV du ZnO par des réseaux de nanoparticules d'argent via la résonance de plasmon de surface

Résumé

Des réseaux périodiques de nanoparticules d'argent (NP) ont été fabriqués par la méthode de pulvérisation cathodique magnétron avec des modèles d'alumine anodique pour améliorer l'émission de lumière UV du ZnO par l'effet de résonance de plasmon de surface. Les simulations théoriques indiquaient que la longueur d'onde de résonance de plasmon de surface dépendait du diamètre et de l'espacement des réseaux de NP d'Ag. En introduisant des réseaux de NP d'Ag avec un diamètre de 40 nm et un espacement de 100 nm, l'intensité de photoluminescence de l'émission de bande proche du ZnO a été doublée. La mesure de photoluminescence résolue dans le temps et l'analyse de bande d'énergie indiquaient que l'amélioration de l'émission de lumière UV était attribuée au couplage entre les plasmons de surface dans les réseaux de NP d'Ag et les excitons dans le ZnO avec un taux d'émission spontanée amélioré et des champs électromagnétiques locaux renforcés.

Introduction

Récemment, les plasmons de surface (SPs) ont attiré beaucoup d'attention. En particulier, en tant qu'oscillations collectives d'électrons libres autour de la surface des nanoparticules métalliques (NPs), les plasmons de surface localisés (LSPs) ont été largement appliqués pour améliorer l'émission de lumière dans les dispositifs optoélectroniques, en raison d'absorptions photoniques sélectives et d'un champ électromagnétique local renforcé autour des NPs métalliques [1]. De nombreux efforts d'émissions améliorées par LSP ont été faits dans les dispositifs optoélectroniques ultraviolets (UV) tels que les diodes électroluminescentes [2,3,4] et les photodétecteurs [5,6,7,8,9].

Le ZnO est l'un des matériaux les plus prometteurs pour les dispositifs optoélectroniques UV en raison d'une bande interdite directe large de 3,37 eV et d'une énergie de liaison d'exciton de 60 meV [10]. Cependant, la faible efficacité d'émission de lumière UV bloque son application commerciale. Par conséquent, différents métaux (Ag [11,12,13,14,15,16,17,18], Au [12, 15, 19, 20], Al [21,22,23,24], Cu [25], Ti [26, 27], Ni [27], Pt [28]) avec différentes formes (gratings, sphère, cylindre, prisme triangulaire, prisme tétragonal, nœud papillon) ont été appliqués pour améliorer l'émission UV de bande proche du ZnO. Parmi eux, les NPs d'Ag de forme sphérique composées par méthode hydrothermale étaient les plus largement utilisées en raison d'une fabrication relativement facile et d'une amélioration efficace de l'émission de lumière. Cependant, les NPs d'Ag composées hydrothermalement sont généralement distribuées aléatoirement, et il est difficile de contrôler la distribution des champs électromagnétiques locaux et l'homogénéité du wafer. Par conséquent, la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et la nanolithographie par nanoimpression ont été appliquées pour obtenir des formes et arrangements contrôlables. Néanmoins, les installations coûteuses et la difficulté de fabrication à grande échelle bloquent les applications de l'EBL et de la nanolithographie par nanoimpression [24].

Dans ce travail, les émissions UV améliorées par LSP du ZnO ont été obtenues en introduisant des réseaux périodiques de NPs d'Ag avec des modèles AAO. La taille optimale des réseaux de NPs d'Ag a été obtenue comme un diamètre de 40 nm et un espacement de 100 nm avec une amélioration double de la photoluminescence dans l'émission de lumière UV du ZnO. La simulation et les spectres de photoluminescence expérimentaux ont été analysés pour révéler le mécanisme d'amélioration de l'émission de lumière.

Méthodes

Le processus de fabrication est montré à la Fig. 1. Premièrement, des modèles AAO commerciaux ont été transférés sur un substrat de silicium. L'épaisseur des modèles AAO est de 200 nm avec le diamètre et l'espacement montrés dans le Tableau 1. L'échantillon 1 a été fabriqué sans modèles AAO et réseaux de NP d'Ag correspondants. Deuxièmement, une couche d'Ag (35 nm) a été déposée par pulvérisation cathodique magnétron avec une puissance DC de 100 W, une pression de 3 mTorr et un débit d'Ar de 18 sccm. Troisièmement, les modèles AAO ont été retirés par ruban Kapton et les réseaux de NP d'Ag sont restés sur le substrat Si. Finalement, des films Al₂O₃ (10 nm) et ZnO (70 nm) ont été déposés tour à tour sur les réseaux de NP d'Ag à 150 °C par dépôt de couches atomiques (ALD), avec du triméthylaluminium (TMA), H₂O et du diéthylzinc (DEZn) comme sources d'aluminium, d'oxygène et de zinc, respectivement. Les détails de croissance et les caractéristiques des films ZnO peuvent être trouvés dans notre publication précédente [29].

Les morphologies des modèles AAO et des réseaux de NP d'Ag ont été caractérisées par microscope électronique à balayage (SEM). La mesure de photoluminescence (PL) a été effectuée avec un laser He-Cd (λ = 325 nm). Les spectres PL résolus dans le temps ont été mesurés avec une longueur d'onde d'excitation à 310 nm à température ambiante pour évaluer le mécanisme d'émission de lumière.

Résultats et Discussion

Avant de conduire les expériences, des calculs numériques par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) ont été effectués pour analyser l'effet de différents diamètres et espacements des réseaux de NP d'Ag sur la distribution du champ électrique et les longueurs d'onde de résonance de plasmon de surface. Les distributions de champ électrique et les spectres de section efficace de diffusion (Q_scat) des réseaux de NP d'Ag ont été simulés sous une source lumineuse à champ total-champ diffusé (TFSF) polarisée le long de l'axe z. Le groupe d'analyse a été placé à l'extérieur de la source optique pour surveiller la section efficace de diffusion de la lumière. Les paramètres optiques de l'Ag ont été sélectionnés comme le modèle CRC depuis la base de données matériaux des solutions Lumerical FDTD. La distribution spatiale du champ électrique simulée dans l'échantillon 4 avec un diamètre de 40 nm et un espacement de 100 nm est montrée à la Fig. 2a. Le champ électromagnétique local autour des NPs d'Ag était amélioré d'environ 3,5 fois, menant à un fort couplage entre les excitons dans les films ZnO et les SPs dans les réseaux de NP d'Ag, et résultant en l'amélioration de l'émission de lumière. La Fig. 2b montre les spectres Q_scat normalisés des réseaux de NP d'Ag avec différents diamètres et espacements. Les longueurs d'onde de résonance de plasmon de surface des réseaux de NP d'Ag de l'échantillon 2 à l'échantillon 6 sont 379, 399, 381, 402 et 408 nm, respectivement. En considérant l'émission de bande proche (NBE) des films ZnO autour de 383 nm, le diamètre et l'espacement optimisés des réseaux de NP d'Ag devraient être 40 et 100 nm dans l'échantillon 4. En augmentant la taille des réseaux de NP d'Ag de l'échantillon 2 à 3, ou de l'échantillon 4 à 5, la longueur d'onde de résonance de plasmon de surface fait un décalage vers le rouge sous la même condition d'espacement. En augmentant l'espacement des réseaux de NP d'Ag de l'échantillon 3 à 4, la longueur d'onde de résonance de plasmon de surface fait un décalage vers le bleu sous la même condition de diamètre. Donc, la longueur d'onde de résonance de plasmon de surface des réseaux de NP d'Ag dépend à la fois du diamètre et de l'espacement des réseaux de NP d'Ag.