Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

КАФЕДРА ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Выпускная квалификационная

Направление подготовки -140301.65 Физика конденсированного состояния вещества

Исследование зависимости интенсивности люминесценции пленок оксида цинка от уровня фотовозбуждения при наличии поверхностного плазмонного резонанса

Курбанов Денис Сергеевич

г. Москва 2016



Аннотация

Данная работа является отчетом по исследованию влияния локализованных поверхностных плазмонов (ЛПП) на люминесценцию и случайную лазерную генерацию микро- и наноструктур оксида цинка. Поставленная задача- выяснение механизма воздействия ППР на излучение оксида цинка, решалась с помощью анализа зависимости интенсивности излучения от уровня возбуждения. Исследования проводились на наборе пленок, изготовленных в различных условиях и покрытых серебром. Такой подход к исследованию позволил получить исчерпывающие сведений о механизме воздействия ППР на излучение микро- и наноструктур оксида цинка. На этой была разработана теоретическая модель механизма.

В работе сделано предположение, что к ослаблению усиления люминесценции приводят потери в серебре, имеющие в основном тепловой характер. На основании этого предположения выведена зависимость интенсивности люминесценции от мощности накачки при наличии потерь в слое металла. Также в работе приведено схематическое описание установок, методы анализа и обработки результатов, а также описание системы скоростных уравнений. Численные результаты представления сравнивались с экспериментальными данными. Данный подход дает хорошее совпадение с экспериментом, а также позволяет разделить параметры, присущие различным процессам.

Данная работа имеет, как научную, так и практическую значимость. Продолжение работы позволит углубить понимание механизма влияния ППР на люминесценцию различных излучателей в различных средах и открыть возможность повышения светоотдачи оптических приборов (например- светодиодов), а также позволит понизить порог лазерной генерации, в частности на микро- и наноструктурах оксида цинка.



Введение

Интерес к оксиду цинка диктуется перспективами его использования для создания полупроводниковых лазеров и светодиодов в ультрафиолетовой области спектра. Большая энергия связи экситонов (~60 мэВ) позволяет получать интенсивное УФ свечение ZnO при комнатной температуре и выше (до 550 K).ZnO далеко не единственный широко-зонный полупроводник задействованный в этой области (например нитрид галлия GaN), однако технологии выращивания оксида цинка несколько проще, чем нитрида галлия, что сказывается на стоимости приборов, работающих на этих полупроводниках. Высококачественные пленки оксида цинка можно получить при относительно невысоких температурах (ниже 700К), в то время как для выращивания GaN необходима температура порядка 900К. Большая энергия связи экситона обеспечивает существование краевой экситонной люминесценции при комнатной и более высокой температурах, т.к. значение энергии связи экситона (~60 мэВ) превышает энергию, соответствующую комнатной температуре, в 2.4 раза(= 25 мэВ). Оксид цинка является также химически стабильным и нетоксичным материалом, что существенно облегчает работу с ним. Кроме всего вышеперечисленного ZnO имеет такую же кристаллическую структуру, что и GaN, и может быть использован в качестве подложки для эпитаксиального роста высококачественных GaN плёнок.

Поверхностный плазмонный резонанс (ППР)-процесс возбуждения поверхностного плазмона внешней электромагнитной волной на его резонансной частоте. Данное явление и возможные направления его применения в данный момент интенсивно изучаются во всем мире. Одно из таких направлений - усиление люминесценции различных излучателей (в данном случае работа проводилась в отношении оксида цинка) под влиянием ППР. Этот эффект может значительно увеличить светоотдачу оптических приборов ,а также снизить порог лазерной генерации. Собственные частоты коллективных локализованных колебаний в наночастицах металла зависят от окружающего их диэлектрика. Исходя из решения уравнений Максвелла для системы металл-диэлектрик, частота дипольной моды колебаний в металлической наносфере определяется следующим выражением:

Где: - диэлектрическая проницаемость металла, которая определяется частотой падающего излучения ;

- диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

k- волновое число падающего излучения;

a- диаметр сферы.В.В. Климов ?Наноплазмоника - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009, - 480 с. - ISBN 978-5-9221-1030-3;

Т.о., для того, чтобы достичь ППР, в первом приближении необходимо выполнить условие:

,

а для этого нужно, чтобы потери в металле на используемой частоте были пренебрежимо малы.

Для достижения плазмонного резонанса материалами металла и диэлектрика могут служить серебро и воздух. Серебро обладает небольшими потерями при прохождении через него излучений, лежащих в УФ-диапазоне. Т.к. в этом случае = 1, а определяется согласно рис. 1.1

оксид наночастица цинк лазерный



Рис. 1.1 Зависимость действительной части диэлектрической проницаемости серебра от энергии кванта излучения. - реальная часть “эффективной” диэлектрической проницаемости, , где - вклад связанный с межзонными переходами.

Т.о., возможен ППР при использовании излучений с ?: 320?380 нм, т.к. в этом случае выполняется условие

Использование серебра в качестве материала для металлических наночастиц может дать существенное усиление люминесценции оксида цинка (см. рис. 2). Связано это с тем, что ширина плазмонного резонанса в наночастицах серебра довольно велика. Это дает возможность добиться увеличения как мощности накачки, так и вероятности вынужденного излучения, что достигается уменьшением времени жизни экситона.

Несмотря на то, что усилению люминесценции под влиянием ППР уделяется много внимания в мировом научном сообществе, до сих пор не изучена роль уровня возбуждения люминесценции, т.е. уровня накачки. Подавляющее большинство работ проводилось с накачкой He-Cd - лазером (непрерывное излучение, длина волны 325 нм, мощность - 20-60 мВт), т.е. при низком уровне возбуждения.

В настоящее время ведется ряд исследований в данном направлении. С практической точки зрения особый интерес представляют:

1. Исследования особенностей люминесценции оксида цинка в УФ-диапазоне. Данные исследования ведутся для применения в УФ-светоизлучающих структурах и приемниках УФ-диапазона.

2. Исследования лазерного эффекта в случайно-неоднородных структурах оксида цинка. Данные работы ведутся в рамках исследования свойств порошков и поликристаллических пленок.

3. Изучение влияния наночастиц металла на люминесценцию оксида цинка за счет эффекта поверхностного плазмонного резонанса. Работы в рамках исследования ППР. Данная работа посвящена последнему вопросу.

Научная новизна работы обусловлена описанием зависимости усиления люминесценции ZnO за счет ППР от накачки. Впервые предпринята попытка количественно описать зависимость усиления люминесценции за счет ППР от накачки в предположении о существовании потерь джоулевого типа в наночастицах металла. Ранее в литературе не встречалось попыток описать зависимость эффекта ППР от параметров возбуждения.



1. Объект исследования

Объектами исследования являлись различные структуры пленок оксида цинка. Оксид цинка является прямозоннымполупроводникомс ширинойзапрещённой зоны3,36 эВ. При комнатной температуре (КТ) рекомбинация экситонов (энергия связи ~ 59 мэВ) в оксиде цинка влечет за собой УФ излучение в области 380-390 нм с собственным временем жизни, как правило, менее 200 пс.

ZnO обладает следующими физическими свойствами:

1. Ширина запрещенной зоны: 3.32- 3.37 эВ;

2. Энергия связи экситона: ~ 59 мэВ;

3. Молекулярный масса: 87,37 г/моль;

4. Цвет: белый;

5. Плотность: 5,607 г/см3;

6. Температура плавления:

6.1. При атмосферном давлении :1200 °С;

6.2. При повышенном давлении может достигать 1975 °С.

Электрические свойства нелегированной пленки ZnO n-типа проводимости определяются формированием собственных дефектов. Фоновая концентрация зарядов составляет -. Подвижность электронов нелегированной пленки ZnO зависит от метода выращивания и находится в пределах 120-440 при комнатной температуре. Высокая концентрация зарядов достигается легированием n- и p-типа и для электронов может составлять ~ ,, для дырок ~ . Подвижность зарядов легированной пленки ZnO ниже по сравнению с такой же нелегированной пленкой, вследствие механизмов рассеивания зарядов: рассеивание ионизированной примесью, полярное рассеивание оптическими фононами, рассеивание акустическими фононами (через потенциалы искажения и пьезоэлектрических взаимодействий). Стандартное значение подвижности при комнатной температуре для низколегированных материалов n- и p-типа составляет 200 и 5-50 1 соответственно. Дырочная подвижность намного меньше подвижности электрона из-за различий в эффективных массах и механизмов рассеивания зарядов.

Пьезоэлектрические свойства ZnO применяются в различных устройствах: в сенсорах воздействия, резонаторах акустических волн, акустооптических модуляторах и т.д. Происхождение пьезоэлектрических свойств оксида цинка обусловлено его кристаллической структурой, в которой атомы кислорода и атомы цинка соединены в форме тетраэдра. В такой нецентросимметричной структуре центр положительного или отрицательного заряда может быть смещен вследствие внешнего давления, вызывающего искажения кристаллической решетки. Эти искажения приводят к формированию локальных дипольных моментов.

Таким образом, макроскопический дипольный момент проявляется по всему кристаллу. Фактически, среди тетраэдральных полупроводников ZnO имеет самый большой тензор, который является причиной большой электромеханической связи.

Другой эффект, вызванный нецентросимметричной кристаллической структурой ZnO - это спонтанная поляризация и полярная грань кристалла. Кристаллическая структура ZnO может быть изображена в виде тетраэдрально соединенных между собой атомов кислорода и цинка. Эти тетраэдры располагаются вдоль определенного направления, вдоль которого из-за эффекта спонтанной поляризации положительный заряд и вытесняется отрицательным зарядом. Конечный результат этого процесса - образование полярной грани ZnO. Для достижения минимизации энергии, заряженная плоскость сворачивается в одиночное нанокольцо и формируется структура нанокатушки индуктивности.



2. Эксперимент

2.1. Методы приготовления образцов

В настоящее время наноструктуры оксида цинка получают различными методами. К наиболее часто используемым можно отнести:

1. Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD)S. Major, S. Kumar, M. Bhatnagar, K.L. Chopra, Appl. Phys. Lett. 49 (1986) 349;;

2. Метод магнетронного распыления

3. Импульсное лазерное осаждение (ИЛО)S.J. Jiao, Z.K. Tang et al., ZnO p-n junction light-emitting diodes fabricated on sapphire substrates. //Appl. Phys. Lett. 2006. V.88. P.031911-3;;

На этом список способов формирования наноструктур из оксида цинка не ограничивается, однако в рамках данной работы рассмотрим только вышеуказанные методы т.к. именно этими методами были изготовлены исследуемые пленки.

2.1.1. Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD)

Химическое осаждение из газовой фазы (chemicalvapordeposition - CVD) - это химический процесс, который разработан для получения твердых неорганических покрытий, как правило, повышенной чистоты.

Суть данного метода состоит в том, что конечный продукт образуется на подложке-мишени (находящейся в наиболее нагретой зоне) в результате взаимодействия газообразных веществ-прекурсоров в горячей зоне или термолиза пара вещества-прекурсора. При этом вещества-прекурсоры могут представлять собой не только газы но и твердые вещества или жидкости, в этом случае их возгоняют или испаряют в специальной зоне реактора, а затем транспортируют к подложке-мишени с помощью газа-носителя, который может быть как инертным, так и участвовать в синтезе.

Преимущества метода:

1. Возможность нанесения однородных на детали сложной конфигурации;

2. Возможность достижения высокой скорости осаждения с одновременным сохранением высокого качества пленки;

3. Простота управления процессом

4. Возможность оперативного внесения изменений в конфигурацию установки для адаптации под используемые вещества.

Недостаткиметода:

1. Высокая энергия потока напыляемых частиц может приводить к деформации подложки/нижних слоев пленки;

2.1.2. Метод магнетронного распыления

Магнетронное распыление - технология нанесения тонких пленок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда - диодного разряда в скрещенных полях.

Процесс осаждения с использованием магнетронных распылительных систем (MPC) включает ряд стадий:

1. Образование ионов рабочего газа. В случае оксида цинка это кислород, либо смесь кислорода с азотом/водородом;

2. Бомбардировка мишени. Процессы на поверхности мишени и в приповерхностном слое, сопровождающиеся различными видами эмиссии;

3. Массоперенос распыленных частиц через плазму

4. Конденсация распыленных частиц на подложке, сопровождающаяся бомбардировкой ионами, нейтральными атомами, электронами.

Преимущества метода:

1. Низкие температуры подложки;

2. Высокие скорости осаждения пленки;

3. Высокая степень однородности пленки;

4. Возможность распылять сплавов и материалов сложного состава.

Недостаткиметода:

1. Сложность расчета процесса.



2.1.3. Импульсное лазерное осаждение

Лазерный луч фокусируется на мишени, испаряющиеся атомы которой переносятся на подложку, где растет пленка. Обычно используют мощные лазеры с частотой следования импульсов от 10 до 100 Гц, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул, существующих только в электронно-возбужденных состояниях. Наиболее широкое применение в лазерном осаждении тонких пленок нашли твердотельные лазеры с модулированной добротностью и эксимерные лазеры. Применение коротковолновых эксимерных лазеров позволяет проводить испарение тонкого слоя материала, существенно снижая выброс капель благодаря малой глубине поглощения (порядка 4 нм)

При использовании этого метода и различных его модификаций, можно обеспечить повышение качества кристаллической структуры на основе ZnO и стабильность ее параметров.

Преимущества метода:

1. Обеспечивает сохранение исходного состава мишени при напылении многокомпонентных веществ;

2. Возможность использования мишени любого размера и формы;

3. Возможность распыления сплавов и материалов сложного состава;

4. Легко контролировать толщину пленки по кол-ву импульсов.

Недостаткиметода:

1. Возможность повреждения пленки осколками мишени.

2.2. Методы изучения образцов.

2.2.1. Установка для измерения спектров фотолюминесценции.

Конфигурация установки по измерению спектров люминесценции, схема которой представлена ниже, позволяет использовать для регистрации спектров как ФЭУ-79 (для регистрации пошаговым методом), так и ПЗС-камеру (для регистрации люминесценции, от отдельногоимпульса накачки).

Рис. 2.2.1.1 Установка для регистрации спектров люминесценции пошаговым методом

Люминесценция образца проецируется на входную щель монохроматора МДР-23, имеющего дисперсию 1.3 нм/мм. За выходной щелью помещается фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79, передающий сигнал на встроенный в компьютер осциллограф. В МДР-23 встроен шаговый двигатель, который, поворачивая дифракционную решетку, изменяет длину волны регистрируемого ФЭУ сигнала. Процесс записи спектра осуществляется с помощью компьютера.

Однако, у подобной схемы есть недостаток: на разных длинах волн регистрируются значения интенсивности, соответствующие разным импульсам накачки. В случае регистрации стационарных спектров этот недостаток никак не повлияет на корректность экспериментальных данных, но он делает данную схему непригодной для использования в случае нестационарных спектров.

Для регистрации спектров от отдельного импульса накачки используется схема, представленная на рис.2.2.1.2.



Рис. 2.2.1.2 Установка для регистрации спектров люминесценции от отдельного импульса накачки

Излучение образца также проецируется на входную щель монохроматора МДР-23. На место выходной щели помещается ПЗС-матрица камеры Видеоскан-285.

Система с ПЗС матрицей позволяет регистрировать спектральный интервал 11.8нм. Для регистрации спектров с временным разрешением в установку вводится скоростная электронно-оптическая камера «АГАТ-СФЗМ», которая позволяет регистрировать временные характеристики однократных оптических сигналов пико- и наносекундной длительности с предельным разрешением 2 пс. Скоростная камера устанавливается за выходной щелью монохроматора таким образом, чтобы временная развертка происходила вертикально, а спектральная, с помощью монохроматора - горизонтально. На выходе скоростной камеры возникает спектрально-временная развертка, которая проектируется на ПЗС матрицу с помощью специально подобранного объектива

2.3. Обзор использованных образцов

В проведенных в этой работе исследованиях рассмотрены образцы пленок ZnO:

1. Пленки, изготовленные методом CVD и покрытые серебром магнетронным методом;

2. Пленки, изготовленные методом магнетронного напыления и покрытые серебром методом ИЛО.

Рис. 2.3.1 Пленка ZnO изготовленная методом CVD. Не покрытая серебром часть

Рис. 2.3.2 Пленка ZnO изготовленная методом CVD. Покрытая серебром часть

Рис.2.3.3 Пленка ZnO полученная методом магнетронного напыления



Стоит отметить ярко выраженную столбчатую структуру пленок, изготовленных методом магнетронного напыления.

2.4. Результаты эксперимента

Результатом эксперимента являются спектры люминесценции пленок, представленные ниже.Обнаружено, что при использовании He-Cd- лазера наблюдается усиление люминесценции (см. рис. 2.4.1), в тоже время, при использовании Nd:YAG- лазера наблюдается ослабление люминесценции. (см. рис.2.4.2). Мы считаем, что это связано с мощностью импульса, He-Cd обладает мощностью 20 мВт, Nd:YAG- десятки киловатт.

Рис.2.4.1 Спектры пленки оксида цинка, полученной методом CVD, с покрытием серебра разной толщины, записанные с возбуждением He-Cd - лазером

Рис. 2.4.2 Спектры пленки оксида цинка, полученной методом CVD, с покрытием серебром разной толщины, записанные с возбуждением Nd:YAG лазером.



Видно, что при снижении мощности импульса накачки от Nd:YAG - лазера до уровня ~ 1 кВт (5 мкДж) удается получить эффект усиления люминесценции пленки ZnO покрытой серебром за счет ППР (см. рис. 2.4.3).

Рис. 2.4.3 Зависимость отношения интенсивностей люминесценции покрытой и непокрытой серебром частей образца 1 (метод CVD) от накачки; толщина пленки серебра - 5 нм

На рис. 2.4.3 видно, что зависимость интенсивности люминесценции от уровня возбуждения при наличии Ag-покрытия имеет существенно нелинейный вид, в то время как в отсутствии покрытия эта зависимость для оксида цинка, как правило, линейна. Эта нелинейность приводит к тому, что с увеличением уровня возбуждения усиление люминесценции (относительно того же самого образца ZnO без Ag покрытия) переходит в ослабление. Также можно заметить, что при снижении накачки от 60 до ~ 10 кВт (от 300 до ~ 50 мкДж) коэффициент усиления составляет примерно 0,4, а при дальнейшем снижении накачки, эта величина быстро растет и достигает значения 1,3 при накачке ~ 40 Вт (0,2 мкДж).



Рис. 2.4.4 Пересечение зависимостей интенсивностей от энергии накачки для непокрытой и покрытой серебром части пленки оксида цинка

На рис. 2.4.4 представлено наложение зависимостей интегральных интенсивностей от накачки. Видно, что определенном диапазоне энергий накачки происходит перекрытие - до интенсивность излучения покрытой серебром части пленки превосходит непокрытую часть.



3. Теоретическая часть

3.1 Теоретическая модель

Ниже представлен подход к моделированию воздействия ППР на люминесценцию пленок оксида цинка основанный на системе скоростных уравнений и сопоставлении ее решений с численными результатами эксперимента. Излучение, обусловленное рекомбинацией экситонов, в оксиде цинка наблюдается в ближней УФ области. Также присутствует излучение в видимой области, обусловленное наличием дефектов, создающих энергетические уровни в запрещенной зоне.

Для использования скоростных уравнений при описании рассматриваемых процессов удобно исходить из корпускулярного представления обо всех участниках этих процессов. Будем описывать временной ход концентрации электронов в зоне проводимости (), дырок в валентной зоне (), экситонов (), фотонов, возникающих в результате рекомбинации экситонов и создающих плазмоны (), фотонов, которыми мы упрощенно будем описывать создаваемое плазмонами поле в наноразмерной области между Ag-покрытием и ZnO () и фононов, возникающих за счет нагрева ().

В ходе работы обнаружено, что при изменении энергии возбуждающего импульса от минимальной до максимальной положение максимума спектра рекомбинационного излучения сдвигается в длинноволновую сторону. Выдвинуто предположение, что такой сдвиг обусловлен температурным изменением ширины запрещенной зоны ZnO.

Величина сдвига составляет приблизительно 4-5 нм, или ~40 мэВ и, с учетом того, что при T > 200K ширина запрещенной зоны при нагреве на градус уменьшается на ~ 0.35 мэВWang L, Giles NC. Temperature dependence of the free-exciton transition energy in zinc oxide by photoluminescence excitation spectroscopy. J Appl. Phys. 2003; 94; 973-978;, отсюда следует, что при возбуждении системы ZnO/Ag импульсами с большой энергией нагрев системы может составлять приблизительно до 110 К. На основании этих соображений в рассмотрение добавлено скоростное уравнение для фононов.

Система скоростных уравнений:

Здесь:

t - время в наносекундах;

- концентрация в 1018 см-3;

P - уровень возбуждения;

Множитель при P - соответствующий эксперименту временной ход возбуждающего импульса. Приблизительная оценка показывает, что плотности энергии возбуждающего импульса 1 мДж/см2 соответствует P = 3.3

В уравнениях для концентрации электронов и дырок в зоне проводимости ( и):

B- характеристика вероятности межзонной рекомбинации;

M- характеристика вероятности образования экситонов.

Эти два уравнения совпадают и различия результатов обуславливаются разными начальными условиями.

В уравнении для концентрации экситонов ():

R- вероятность спонтанной рекомбинации экситонов;

A- характеристика вероятности рекомбинации экситонов под действием резонансного поля, создаваемого плазмонами;

- описывает влияние нагрева системы на параметр А.

В уравнении для концентрации фотонов, возникающих в результате рекомбинации экситонов ():

H- вероятность излучательной рекомбинации экситонов (H < R);

C- вероятность ухода фотонов из системы;

S- вероятность попадания фотонов в Ag-покрытие с образованием плазмонов.

В уравнении для концентрации фотонов, создаваемых полем плазмонов ():

- коэффициент, отвечающий за возрастание поля, создаваемого плазмонами, по отношению к полю фотонов, создающих плазмоны («степень резонансности»);

- характеристика уменьшения «степени резонансности» за счет нагрева;

T- характеристика радиационного затухания плазмонов;

W - характеристика джоулевых потерь в Ag-покрытии, которые определяются электросопротивлением серебра;

- характеристика зависимости сопротивления серебра от температуры.

В уравнении для фононов ():

?- показатель отношения энергии джоулевых потери к энергии расходуемой на возбуждение оксида цинка;

Е - вероятность затухания фонона;

V - вероятность прямого преобразования фотона в фонон.

В Ag-покрытие поступают фотоны, обусловленные рекомбинацией экситонов, скорость их поступления в единицу времени



Они создают колебания электронов (плазмоны), что обуславливает наличие тока, квадрат величины которого определяется концентрацией входящих фотонов

В Ag-покрытии возникают потери, мощность которых

Разделив эту величину на энергию фотонаможно приблизительно оценить время жизни фотона относительно превращения его в тепло:

.

Для оценки того, сколько фотонов будет потеряно за счет превращения их энергии в тепло после образования ими плазмонов, будем считать

Откуда следует, что при

Таким образом, джоулевы потери составляют , т.е. не являются линейными.

Соответственно поле в узкой области на границе Ag и ZnО, которое мы описываем фотонами ,которые были изначально. Число таких плазмонов, будет пропорционально

Поскольку известно, что напряженность интересующего нас поля значительно больше, чем напряженность поля внутри металлаMaier SA. Plasmonics: Fundamental and Applications. Springer Business and Science Media LLC 2007;

C. H. Ahn, Y. Y. Kim, D. C. Kim, S. K. Mohanta, H. K. Cho. J. Appl. Phys., 105 (2009) 013502;

J. W. Sun, Y. M. Lu, Y. C. Liu, D. Z. Shen, Z. Z. Zhang, B. Yao, B. H. Li, J. Y. Zhang, D. X. Zhao, X. W. Fan. J. Appl. Phys., 102 (2007) 043522;

Z.L. Wang, Zinc oxide nanostructure: growth, properties and applications. //J.Phys.:Condens, Matter. 2004. V.16. P.829-858;

A P Tarasov, Ch M Briskina, M V Ryzhkov, S I Rumyantsev, V M Markushev , Simplified approach for modeling ZnO luminescence dependence on excitation level with and without surface plasmon resonance, J. of Phys.: Conf. Ser., 2015;

Tarasov, Ch M Briskina, M V Ryzhkov, S I Rumyantsev, V M Markushev, Influence of surface plasmon resonance on ZnO photoluminescence. Role of pumping level, Book of Abstracts: 2nd Intetnational School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures ?Saint-Petersburg OPEN 2015, 168-169;

М. В. Рыжков, С. И. Румянцев, В. М. Маркушев,Ч. М. Брискина , А. П. Тарасов, Краевая люминесценция микропленок ZnO, ЖПС, Т.81, 5, 805-808, 2014;

M. V. Ryzhkov, V. M. Markushev, Ch. M. Briskina, S. I. Rumyantsev, A. P. Tarasov, and V. L. Lyaskovskii, Influence of surface plasmon resonance on ZnO films photoluminescence. Role of excitation level, J. of Nanoelectron. and Optoelectron., 9, 6, 769-772, 2015;

Тарасов А.П., Рыжков М.В., Румянцев С.И., Маркушев В.М., Брискина Ч.М., Усиление люминесценции пленок ZnO под влиянием поверхностного плазмонного резонанса. Роль уровня накачки, Тезисы докладов VIII конференции молодых ученых Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика, 227-228, 2013;

Rumyantsev, S.I.; Markushev, V.M.; Ryzhkov, M.V.; Tarasov, A.P.; Briskina, C.M.; Lotin, A.A.; Novodvorsky, O.A.; Lyaskovskii, V.L., Effect of excitation intensity and surface morphology on the photoluminescence of ZnO films under the influence of surface plasmon resonance, Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL), 2013 International Conference, 211-213, 2013/

Размещено на Allbest.ur, в уравнении для вклад плазмонов умножается на .

Т.к. выражение описывает тепловые потери, оно включено с положительным знаком в уравнение для концентрации фотонов.

Система скоростных уравнений решалась с использованием пакета Mathcad методом Рунге-Кутта. Результатом служила сумма значений концентрации фотонов по всем моментам времени, в которых выполнялся расчет в ходе возбуждающего импульса, пропорциональному интегральной интенсивности люминесценции:

Для непокрытой части пленки были приняты параметры, дающие близкие к часто наблюдаемым в эксперименте:

1. Временя жизни экситонной люминесценции (100 пс);

2. Отношение энергии, высвобождаемой при спонтанной рекомбинации экситонов в виде фотонов, к полной энергии, освобождаемой при рекомбинации.05.Этому соответствуют значения параметров:

R = C = 10;

H = 0.5;

B = M = 20.

Поскольку температурная зависимость сопротивления имеет вид:

(для Ag)



то сопротивление изменяется в пределах 40%.В связи с этим

Параметры и должны учитывать уширение с ростом температуры спектра экстинкции Ag, в результате чего уменьшается «степень резонансности». Поскольку эти спектры широкие уже при низкой температуре, роль нагрева здесь невелика. Решение системы уравнений при значениях и от 0.3.до 1 дало одинаковые значения .Для однозначности они были определены как 0.3

Для параметров ?, E и V для однозначности были приняты следующие значения: ? = 10, Е = 1000, V = 1 т.к. вычисления показывают, что при изменении этих параметров с сохранением порядка практически не влияет на результат.

3.2 Результаты теоретического моделирования

Для сравнения экспериментальных зависимостей интенсивности люминесценции от уровня возбуждения I(P) с расчетными они должны быть построены в одинаковом масштабе.

Для получения одинакового масштаба по оси X надо учесть, что плотность энергии возбуждающего импульса 1 соответствует P = 3.3.Предложенный подход опробован на двух вариантах пленок ZnO, отличающихся способом изготовления. Первая пленка изготавливалась методом термического напыления, вторая - магнетронным распылением. На первой пленке имелась область непокрытая серебром и области с эффективной толщиной Ag- покрытия 10 нм и 20 нм. На второй пленке имелись непокрытая и покрытая ( ~10нм ) области. Эффективная толщина определялась в предположении равномерного распределения серебра по сфере при распылении его.

Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей I(P) для пленок с разными толщинами серебра ZnO показано на рис.3.2.1 и 3.2.2

Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей I(P) для пленок с разными толщинами серебра ZnO показано на рис.3.2.1 и 3.2.2

Рис.3.2.1 Сравнение экспериментальной и рассчитанной зависимостей интенсивности люминесценции от уровня возбуждения для образца ZnO/Ag (термическое осаждение) толщина Ag 10 нм

Рис.3.2.2 Сравнение экспериментальной и рассчитанной зависимостей интенсивности люминесценции от уровня возбуждения для образца ZnO/Ag , изготовленного методом термического осаждения: толщина Ag 20 нм

Расчетные кривые только значениями параметров, определяющих потери W и вероятность преобразования фотонов в плазмонные колебания S. Остальные параметры остаются неизменными.

Получается, что с увеличением толщины покрытия растут потери и вероятность преобразования фотонов в плазмонные колебания.

Рис.3.2.3 Сравнение экспериментальной и рассчитанной зависимостей интенсивности люминесценции от уровня возбуждения для ZnO/Ag, изготовленного методом магнетронного распыления. Толщина Ag 10 нм

На Рис. 3.2.3. показана зависимость I(P) для второй пленки, изготовленной методом магнетронного напыления.Бросается в глаза, что в этом случае возможно большее увеличение интенсивности люминесценции, чем в предыдущем случае. По сравнению с первой пленкой здесь получается значительно большее значение параметра A, характеризующего вероятность рекомбинации экситонов под действием резонансного поля, создаваемого плазмонами, и меньшая величина потерь (параметр W).

Таким образом, анализ зависимости интенсивности люминесценции от уровня возбуждения предложенным способом может открыть путь оптимизации структуры образцов для получения максимального увеличения интенсивности люминесценции за счет ППР.



Заключение

В представленной работе изучалась зависимость интенсивности люминесценции пленок оксида цинка, от уровня накачки.

Проводилась регистрация спектров люминесценции образцов, изготовленных методом термического осаждения (CVD) и покрытых магнетронным напылением пленками серебра различной толщины, а также образцов, изготовленных методом термического осаждения и серебром методом импульсно-лазерного осаждения.

Было обнаружено, что при накачке Nd:YAG- лазером интенсивность люминесценции падает, однако при использовании He-Cd - лазера наблюдался обратный эффект.

Было предположено, что подобный эффект обусловлен возрастающими тепловыми потерями в серебре. Предположение основывалось на большой разнице в мощности импульса накачки данных лазеров.

В представленной работе впервые показано, что усиление люминесценции в системе ZnO/Ag возможно наблюдать только при определенном диапазоне энергий накачки. Использование больших энергий в подобных системах приводит к ослаблению люминесценции.

В работе предложен подход для описания физических процессов участвующих в люминесценции указанных систем. Подход основан на системе скоростных уравнений, описывающих поведение концентраций: электронов в зоне проводимости; фотонов, возникающих в результате рекомбинации экситонов; дырок в валентной зоне; экситонов; фотонов, описывающих создаваемое плазмонами поле в области между Ag-покрытием и ZnO и фононов, возникающих за счет нагрева в серебре. Решение этой системы уравнений с должной точностью описывает поведение зависимости люминесценции от мощности накачки.



Список литературы