白洋
(長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130022)
ZnO 作為一種重要的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料,禁帶寬度為3.37eV,且具有激子束縛能大(60meV)、熔點(diǎn)高、對(duì)紫外光特別敏感等特點(diǎn)[1];另外,ZnO 具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,且其原料充足、價(jià)格便宜、制備方法多樣并且簡(jiǎn)單。因而在紫外探測(cè)器方面也引起了關(guān)注,被大量研究;而且其摻雜容易,如摻雜稀土離子、過(guò)渡金屬,比如摻雜Eu3+可以實(shí)現(xiàn)紫外光到可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換;材料本身無(wú)毒無(wú)害,價(jià)格更低廉,且易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模同質(zhì)外延[2],比如可以制備ZnO 納米線(xiàn)陣列,ZnO 薄膜等等?,F(xiàn)有制備不同維度ZnO 材料的方法有很多,比如水熱法,ALD 法,靜電紡絲法等等。而一維結(jié)構(gòu)ZnO 材料具有形貌各向異性這一有別于其他維度材料的物理性質(zhì),然后我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其具有偏振發(fā)光特性,從而為其制作偏振光電探測(cè)器件打下一定基礎(chǔ)。
通過(guò)水熱法制備了ZnO 微米棒,具體方案如下:
首先稱(chēng)量0.2523g 的HMT 并取15mL 純水配制12mmol L-1的HMT 和醋酸鋅的水溶液。
在室溫劇烈磁力攪拌下,將HMT 溶液分別緩慢加入到等體積等濃度的(0.03951g 醋酸鋅)二水合醋酸鋅的水溶液中。
混合溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜內(nèi),90℃條件下維持5h 之后自然冷卻至室溫。得到的白色沉淀物經(jīng)離心清洗后,加水稀釋至適量濃度,滴加在單晶硅襯底,干燥備用。
3.1 形貌分析:用掃描電子顯微鏡分別對(duì)ZnO 微米棒的整體形貌和局部區(qū)域進(jìn)行了表征,最后表征了分散的單根的微米棒,并計(jì)算出了長(zhǎng)徑比。
單根微米棒的長(zhǎng)約為10μm 左右,寬約為0.3μm 左右,長(zhǎng)徑比約為33。
3.2 基本物性分析:如圖1 為ZnO 微米棒樣品的廣角XRD圖 譜 , 從 圖 上 可 以 看 出 樣 品 在 2θ 角32.1,34.5,36.5,47.7,57.1,63.1,67,68.5,69.7,72.6 和77.6 出 現(xiàn)了氧化鋅的X 射線(xiàn)衍射峰,其所對(duì)應(yīng)的晶面分別為(100),(002),(101),(102),(110),(103),(200),(112),(201),(004),和(202),所對(duì)應(yīng)的PDF 卡片為JCPDS No. 75-1526,峰位對(duì)應(yīng)匹配度高,可知制備的樣品結(jié)晶質(zhì)量良好。由于制備的ZnO 微米棒分布散亂,所以沒(méi)有特定的取向性。
圖1 ZnO 微米棒的XRD 圖譜
圖2 ZnO 微米棒的PL 光譜
用325nm 波長(zhǎng)的光激發(fā)樣品,觀(guān)測(cè)到良好的紫外發(fā)光,中心峰位375nm,發(fā)光峰基本呈現(xiàn)高斯對(duì)稱(chēng)(如圖2)。根據(jù)文獻(xiàn)中的報(bào)道,其應(yīng)為來(lái)自自由激子輻射復(fù)合發(fā)光。由于選取的樣品為單根ZnO 微米棒,所以發(fā)光強(qiáng)度較弱。
3.3 偏振特性分析
我們研究的ZnO 微米棒的形貌各向異性依賴(lài)于一維結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)徑比。對(duì)于長(zhǎng)徑比較小的一維結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)主要?dú)w功于電磁場(chǎng)限域效應(yīng)。
王健方等人在2001 年發(fā)表的文章中闡述了這一機(jī)理。
由于激發(fā)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于納米線(xiàn)的直徑,所以可以將納米線(xiàn)作為真空中無(wú)限長(zhǎng)的介質(zhì)來(lái)定量的模擬這種效應(yīng)。
即當(dāng)入射場(chǎng)與圓柱體平行時(shí),圓柱體的內(nèi)部電場(chǎng)不會(huì)減小,而垂直時(shí),電場(chǎng)的振幅會(huì)有衰減[3]。
可以用公式(1)來(lái)說(shuō)明,
根據(jù)具體材料的介電常數(shù)即可計(jì)算其偏振度。
我們?cè)O(shè)計(jì)如圖3 所示的光路來(lái)探測(cè)其偏振發(fā)光特性。偏振發(fā)光特性是指樣品被圓偏振光激發(fā)后的激發(fā)光的偏振度的研究。以波長(zhǎng)為325nm 的He-Cd 激光器為光源,經(jīng)檢驗(yàn)其激發(fā)光為線(xiàn)偏振光。
因此,在偏振發(fā)光特性分析實(shí)驗(yàn)中,在光路激發(fā)光到達(dá)樣品之前加入四分之一波片,使激發(fā)光轉(zhuǎn)化為圓偏振光,之后再激發(fā)樣品。在樣品和光譜采集裝置之間分布加入水平和垂直偏振兩種檢偏片。
通過(guò)光學(xué)顯微成像調(diào)節(jié)樣品位置及方向,使垂直檢偏下,納米棒取向與檢偏片快軸方向平行(標(biāo)記為0°,E//c),此時(shí)如果將檢偏片快軸調(diào)整為水平檢偏,則納米棒取向與檢偏片快軸方向垂直(標(biāo)記為90°,E⊥c)。分別采集兩種情況下ZnO 微米棒的發(fā)光光譜。
圖3 偏振發(fā)光特性光路圖
利用圖3 所示的光路圖對(duì)ZnO 微米棒進(jìn)行測(cè)試,得到一組E//c 和E⊥c 的PL 光譜,如圖4 所示。
可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)偏振光的振動(dòng)方向平行于樣品的c 軸時(shí),樣品的發(fā)光強(qiáng)度較高,當(dāng)偏振光的振動(dòng)方向垂直于樣品c 軸時(shí),樣品的發(fā)光強(qiáng)度很低,依據(jù)光譜數(shù)據(jù),I//代入數(shù)據(jù)215,I⊥代入數(shù)據(jù)85,通過(guò)公式(1)計(jì)算出樣品的偏振度約為0.43。
所以ZnO 微米棒形貌的各向異性可以使其被激發(fā)出偏振光。
圖4 E//c 和E⊥c 的PL 光譜
本文通過(guò)水熱法成功制備了形貌較為均一的ZnO 微米棒,通過(guò)掃描電子顯微鏡觀(guān)察到了其形貌較為均一;通過(guò)X 射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)得知其結(jié)晶質(zhì)量良好;設(shè)計(jì)并搭建出了光路來(lái)表征其偏振發(fā)光特性,計(jì)算出了長(zhǎng)徑比約為33 左右的ZnO 微米棒樣品的偏振度約為0.43,為其應(yīng)用于偏振光的探測(cè)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。