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表面等离子体共振已经成为一种增强材料和器件发光的有效方法。利用金属表面自由电子振荡与材料发光的相互作用,产生共振从而实现材料发光增强。氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ-Ⅵ族直接、宽带隙化合物半导体材料,常温下ZnO的禁带宽度为3.37eV,在可见光波段内具有高透过率。氧化铟(In2O3)是一种宽禁带的N型半导体材料,其直接禁带宽度约为3.65eV,在可见光范围透明度超过90％。由于这两种半导体氧化物优异的光学和电学特性,使得它们成为制备光电子器件的重要材料。本文用Si(100)做衬底、射频磁控溅射技术制备上述两种氧化物薄膜,热蒸发设备生长金属膜。利用激发光直接从样品正面入射,研究薄膜样品的荧光。
我们首先对ZnO表面等离子体荧光增强进行了研究。我们发现Ag/ZnO样品的荧光强度和Ag膜厚度密切相关。当Ag膜厚度为7nm时,在380nm波峰处,ZnO薄膜光致发光增强了12倍。并且我们改变Ag膜的生长温度,发现在300℃下生长的Ag/ZnO样品在波峰处实现17倍的荧光增强。用原子力显微镜观察样品。可以知道300℃下生长的Ag金属膜样品的表面均方根粗糙度为21nm,而其他温度下生长的样品的粗糙度仅为0.5nm左右。这说明了粗糙的表面能有效地把光散射出来,样品表面形貌对表面等离子体耦合出光非常重要。
我们也对In2O3表面等离子体荧光增强进行研究。我们用荧光光谱仪分析了不同激发波长对In2O3薄膜发光的影响,并测试了低温下In2O3的发光。我们研究了In2O3/Ag/In2O3结构样品荧光,实现最大270倍的紫外(～365 nm)荧光增强。据我们所知,这是迄今为止利用表面等离子体共振实现半导体近带边发光增强的最大值。这可能是由于Ag金属膜上下表面激发的同频率表面等离子体之间的相互激发,从而使得样品发光效率得到很大的增强。用扫描电镜可以观察到样品表面呈水珠状,这种奇异的表面可能也是实现荧光增强的重要原因。同时我们发现覆盖Al金属膜后也能实现明显增强。Al膜厚度为40nm时样品荧光增强最大达到95倍。