Enhancement and tailoring of photoluminescence by the use of metallic nanostructures

Abstract

Η μελέτη της ενίσχυσης και της ρύθμισης της φωταύγειας του ZnO με την χρήση μεταλλικών νανοδομών παρουσιάζεται σε αυτήν την διδακτορική διατριβή. Δύο διαφορετικές ιδιότητες των μεταλλικών νανοδομών, οι πλασμονικές ιδιότητες τους και η χρήση τους για την δημιουργία πορώδους Si, χρησιμοποιήθηκαν. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η σύζευξη επιφανειακών πλασμονίων και εντοπισμένων επιφανειακών πλασμονίων με το υπεριώδες και το ορατό μέρος του φάσματος φωταύγειας ZnO. Στην περίπτωση της ενίσχυσης της φωταύγειας του ZnO μέσω της σύζευξης της με επιφανειακά πλασμόνια η ένταση της υπέρυθρη εκπομπή ενισχύθηκε 6 φορές χρησιμοποιώντας ένα υμένιο Al ως ενδιάμεση στρώση μεταξύ του ZnO και του υποστρώματος Si, και με την επεξεργασία του με την χρήση Excimer Laser. Το μεταλλικό υμένιο ενισχύει την ένταση του εκπεμπόμενου φωτός είτε μέσω της σύζευξης με επιφανειακά πλασμόνια τα οποία διεγείρονται στην διεπιφάνεια Al/ZnO, όπως στην περίπτωση της ενίσχυσης της υπεριώδους εκπομπής, είτε με την ενίσχυση της ανακλαστικότητας λόγω του υμενίου Al, όπως στην περίπτωση της ενίσχυσης της εκπομπής στο ορατό φάσμα. Στην περίπτωση της σύζευξης της φωταύγειας του ZnO με εντοπισμένα επιφανειακά πλασμόνια νανοσωματίδια Ag δημιουργήθηκαν είτε στην διεπιφάνεια του ZnO με το υπόστρωμα είτε στην επιφάνειά του. Και στην δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν RF Magnetron Sputtering και ανόπτηση με την χρήση Excimer Laser για την κατασκευή ZnO το οποίο εκπέμπει στο ορατό και νανοσωματιδίων Ag. Διάφορες παράμετροι της ανόπτησης μελετήθηκαν. Τέλος μελετήθηκε η χειραγώγηση του φάσματος φωταύγειας του ZnO το οποίο δημιουργήθηκε στην επιφάνεια πορώδους Si. Σε αυτό το κομμάτι του έργου η κατασκευή, με την χρήση μιας συνολικά ηλεκτροχημικής διαδικασίας, νανοσυνθέσεων πορώδους Si και ZnO με συγκεκριμένες δομικές ατέλειες οδήγησε σε εκπομπή ισχυρού φωτός το οποίο καλύπτει σχεδόν όλο το ορατό φάσμα. Συγκεκριμένα οι νανοσυνθέσεις αυτές παρασκευάσθηκαν με τον συνδυασμό ηλεκτροχημικής απόξυσης υποβοηθούμενης από απόθεση μετάλλου του Si και ηλεκτροχημικής εναπόθεσης με συνεχές ρεύμα του ZnO. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής αποκαλύπτουν ένα συσχετισμό μεταξύ της μορφολογίας, όπως και της ισχύς του φάσματος εκπομπής, με την μορφολογία του πορώδους Si το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα, και ελέγχει της ατέλειες στο ZnO. Κατάλληλες συνθήκες σύνθεσης του πορώδους Si οδηγεί σε έντονη εκπομπή η οποία έχει μια Γκαουσιανή μορφή και καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του ορατού φάσματος, υποδεικνύοντας ότι οι νανοσυνθέσεις πορώδους Si και ZnO μπορούν να είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για συστήματα τα οποία εκπέμπουν λευκό φως. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της ανόπτησης με την χρήση Excimer Laser το φάσμα φωταύγειας των νανοσυνθέσεων πορώδους Si και ZnO. Η ανόπτηση οδήγησε σε μια μετακίνηση του φάσματος προς το μπλε και παράλληλα την εμφάνιση υπεριώδους εκπομπής. Τόσο η μετακίνηση προς το μπλε όσο και η εμφάνιση της υπεριώδους εκπομπής συνδέονται με τις συνθήκες ανόπτησης. Για την κατανόηση του μηχανισμού πίσω από αυτά τα φαινόμενα, μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως η ένταση ανά μονάδα επιφάνειας της δέσης του Laser, ο αριθμός των παλμών, το περιβάλλον και η πίεση κατά την ανόπτηση.