Tăng cường đáng kể phát xạ UV trong các nanorod ZnO bị chiếu xạ bởi chùm ion Ga+

Nano Research - Tập 8 - Trang 1857-1864 - 2015
Boluo Yadian1, Rui Chen2, Hai Liu1, Handong Sun2, Qing Liu1, Chee Lip Gan1, Zhou Kun3, Chunwang Zhao4, Bin Zhu5, Yizhong Huang1
1School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore, Singapore
2Division of Physics and Applied Physics, School of Physical and Mathematical Sciences, Nanyang Technological University, Singapore, Singapore
3School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singapore, Singapore
4College of Art and Sciences, Shanghai Maritime University, Shanghai, China
5Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Organic Chemical Materials, Faculty of Physics and Electronic Science, Hubei University, Wuhan, Hubei, China

Tóm tắt

Ứng dụng của vật liệu nan ZnO trong quang điện tử vẫn còn hạn chế do hiệu suất phát quang không đủ. Để tối ưu hóa các thuộc tính phát quang của các nanorod ZnO, nghiên cứu này đã khảo sát phát xạ UV của các nanorod ZnO được sắp xếp theo chiều dọc trên nền Si, liên quan đến việc chiếu xạ ion Ga+ ở các năng lượng khác nhau (0.5 keV–16 keV). Chúng tôi phát hiện rằng cường độ UV tăng nhanh chóng khi năng lượng ion Ga+ tăng, đạt cực đại xung quanh 2 keV, tại thời điểm đó cường độ đạt khoảng 50 lần so với cường độ phát ra từ các nanorod ZnO chưa qua xử lý. Việc bắn nhẹ các ion Ga+ năng lượng thấp giúp loại bỏ các khuyết tật trên bề mặt nanorod ZnO. Mặt khác, các ion Ga+ sẽ được cấy vào trong các nanorod, tạo ra ứng suất nén. Giả thuyết rằng việc sắp xếp hoàn hảo của mạng tinh thể sau khi khắc phục các khuyết tật bề mặt và sự xuất hiện của ứng suất nén là hai yếu tố góp phần vào việc cải thiện đáng kể sự phát sinh ánh sáng UV.

Từ khóa

#ZnO nanorods #Ga+ ion irradiation #photoluminescence #UV emission #optoelectronics

Tài liệu tham khảo

Tang, Z. K.; Wong, G. K. L.; Yu, P.; Kawasaki, M.; Ohtomo, A.; Koinuma, H.; Segawa, Y. Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystallite thin films. Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 3270–3272. Zhang, B. P.; Binh, N. T.; Wakatsuki, K.; Segawa, Y.; Yamada, Y.; Usami, N.; Kawasaki, M.; Koinuma, H. Formation of highly-aligned ZnO tubes on sapphire (0001) substrates. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 4098–4100. Zeng, H. B.; Duan, G. T.; Li, Y.; Yang, S. K.; Xu, X. X.; Cai, W. P. Blue luminescence of ZnO nanoparticles based on non-equilibrium processes: Defect origins and emission controls. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 561–572. Ozgur, U.; Alivov, Y. I.; Liu, C.; Teke, A.; Reshchikov, M. A.; Dogan, S.; Avrutin, V.; Cho, S. J.; Morkoc, H. A comprehensive review of ZnO materials and devices. J. Appl. Phys. 2005, 98, 041301. Kim, T. W.; Kawazoe, T.; Yamazaki, S.; Ohtsu, M.; Sekiguchi, T. Low-temperature orientation-selective growth and ultraviolet emission of single-crystal ZnO nanowires. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 3358–3360. Yadian, B.; Liu, H.; Wei, Y. F.; Wu, J. S.; Zhang, S.; Sun, L. F.; Zhao, C. W.; Liu, Q.; Ramanujan, R. V.; Zhou, K. et al. Towards perfectly ordered novel ZnO/Si nano-heterojunction arrays. Small 2014, 10, 344–348. Yang, Y.; Tay, B. K.; Sun, X. W.; Sze, J. Y.; Han, Z. J.; Wang, J. X.; Zhang, X. H.; Li, Y. B.; Zhang, S. Quenching of surface-exciton emission from ZnO nanocombs by plasma immersion ion implantation. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 071921. Yang, Y.; Sun, X. W.; Tay, B. K.; Cao, P. H. T.; Wang, J. X.; Zhang, X. H. Revealing the surface origin of green band emission from ZnOnanostructures by plasma immersion ion implantation induced quenching. Appl. Phys. 2008, 103, 064307. Lin, C. C.; Chen, H. P.; Liao, H. C.; Chen, S. Y. Enhanced luminescent and electrical properties of hydrogen-plasma ZnO nanorods grown on wafer-scale flexible substrates. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 183103. Chen, R.; Ye, Q. L.; He, T. C.; Wu, T.; Sun, H. D. Uniaxial tensile strain and exciton-phonon coupling in bent ZnO nanowires. Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 241916. Chen, R.; Ye, Q. L.; He, T. C.; Ta, V. D.; Ying, Y. J.; Tay, Y. Y.; Wu, T.; Sun, H. D. Exciton localization and optical properties improvement in nanocrystal-embedded ZnO core-shell nanowires. Nano Lett. 2013, 13, 734–739. Hwang, S. W.; Shin, D. H.; Kim, C. O.; Hong, S. H.; Kim, M. C.; Kim, J.; Lim, K. Y.; Kim, S.; Choi, S. H.; Ahn, K. J. et al. Plasmon-enhanced ultraviolet photoluminescence from hybrid structures of graphene/ZnO films. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 127403. Shao, D. L.; Sun, H. T.; Yu, M. P.; Lian, J.; Sawyer, S. Enhanced ultraviolet emission from poly(vinyl alcohol) ZnO nanoparticles using a SiO2-Au core/shell structure. Nano Lett. 2012, 12, 5840–5844. Richters, J. P.; Voss, T.; Wischmeier, L.; Ruckmann, I.; Gutowski, J. Influence of polymer coating on the low-temperature photoluminescence properties of ZnO nanowires. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 011103. Liu, K. W.; Chen, R.; Xing, G. Z.; Wu, T.; Sun, H. D. Photoluminescence characteristics of high quality ZnO nanowiresand its enhancement by polymer covering. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 023111. Liu, M. N.; Chen, R.; Adamo, G.; MacDonald, K. F.; Sie, E. J.; Sum, T. C.; Zheludev, N. I.; Sun, H. D.; Fan, H. J. Tuning the influence of metal nanoparticles on ZnO photoluminescence by atomic-layer-deposited dielectric spacer. Nanophotonics 2013, 2, 153–160. Lin, K. F.; Cheng, H. M.; Hsu, H. C.; Lin, L. J.; Hsieh, W. F. Band gap variation of size-controlled ZnO quantum dots synthesized by sol-gel method. Chem. Phys. Lett. 2005, 409, 208–211. Yang, Y. L.; Yan, H. W.; Fu, Z. P.; Yang, B. F.; Xia, L. S.; Xu, Y. D.; Zuo, J.; Lu, F. Q. Photoluminescence investigation based on laser heating effect in ZnO-ordered nanostructures. J. Phys. Chem. B 2005, 110, 846–852. Yan, B.; Chen, R.; Zhou, W. W.; Zhang, J. X.; Sun, H. D.; Gong, H.; Yu, T. Localized suppression of longitudinal-optical-phonon-exciton coupling in bent ZnO nanowires. Nanotechnology 2010, 21, 445706. Voss, T.; Bekeny, C.; Wischmeier, L.; Gafsi, H.; Borner, S.; Schade, W.; Mofor, A. C.; Bakin, A.; Waag, A. Influence of exciton-phonon coupling on the energy position of the near-band-edge photoluminescence of ZnO nanowires. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 182107. Yang, Y.; Sun, X. W.; Tay, B. K.; Cao, P. H. T.; Wang, J. X.; Zhang, X. H. Revealing the surface origin of green band emission from ZnO nanostructures by plasma immersion ion implantation induced quenching. J. Appl. Phys. 2008, 103, 064307 Rosenberg, R. A.; Abu Haija, M.; Vijayalakshmi, K.; Zhou, J.; Xu, S.; Wang, Z. L. Depth resolved luminescence from oriented ZnO nanowires. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 243101. Shalish, I.; Temkin, H.; Narayanamurti, V. Size-dependent surface luminescence in ZnO nanowires. Phys. Rev. B 2004, 69, 245401. Yang, Q.; Wang, W. H.; Xu, S.; Wang, Z. L. Enhancing light emission of ZnO microwire-based diodes by piezophototronic Effect. Nano Lett. 2011, 11, 4012–4017. Shi, L. B.; Cheng, S.; Li, R. B.; Kang, L.; Jin, J. W.; Li, M. B.; Xu, C. Y. A study on strain affecting electronic structure of Wurtzite ZnO by first principles. Mod. Phys. Lett. B 2009, 23, 2339–2352. Bhosle, V.; Tiwari, A.; Narayan, J. Metallic conductivity and metal-semiconductor transition in Ga-doped ZnO. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 032106. Ilican, S.; Caglar, Y.; Caglar, M.; Yakuphanoglu, F. Structural, optical and electrical properties of F-doped ZnO nanorod semiconductor thin films deposited by sol-gel process. Appl. Surf. Sci. 2008, 255, 2353–2359. Hou, Q. Y.; Zhao, C. W.; Jin, Y. J.; Guan, Y. Q.; Lin, L.; Li, J. J. Effects of the concentration of Ga high doping on electric conductivity and red shift of ZnO from frist principles. Acta Phys. Sin. 2010, 59, 4156–4161. Zhou, K. Fabrication of Ga-doped transparent ZnO film and investigation of its photoelectronic properties. MD. Dissertation, College of Physics of Chongqing University, Chongqing, China, 2010, 39–44.
Thông tin
Thông tin xuất bản

Nano Research

Tập 8

1857-1864

Thông tin tác giả