半导体纳米结构的发光性质及其机理.doc

半导体发光的分类：

1）光致发光，2）电致发光，3）阴极射线发光，4）X射线及高能例子发光，5）化学发光以及6）生物发光等。其共同点就是用不同的能量激发半导体，让其发光，也就是把不同形式的能量转换为光能。

PL定义：

Luminescence is one of the most important methods to reveal the energy structure and surface states of semiconductor nanoparticles and has been studied extensively. Whenever a semiconductor is irradiated, electrons and holes are created. If electronhole pairs recombine immediately and emit a photon that is known as fluorescence and if the electrons and holes created do not recombine rapidly, but are trapped in some metastable states separately, they need energy to be released from the traps and recombine to give luminescence. If they spontaneously recombine after some time, it is called photoluminescence (PL). It is reported that the fluorescence process in semiconductor nanoparticles is very complex, and most nanoparticles exhibit broad and Stokes shifted luminescence arising from the deep traps of the surface states. Only clusters with good

surface passivation may show high band-edge emission. 5,267,338,339 If the detrapping process is caused by heating or thermostimulation, the luminescence is called thermoluminescence (TL), and the energy corresponding to the glow peak is equal to the trap depth. The TL process is different from the PL not sufficiently high to excite the electrons from their ground states to their excited states. Only the carriers ionized from the surface states or defect sites are involved in the TL process; that is, the thermoluminescence has arisen from the surface states. Thermoluminescence is a good way to detect the recombination emission caused by the thermal detrapping of carriers. It is well known that the UV emission peaks originate from the recombination of free excitons through an exciton-exciton collision process corresponding to near-band-edge (NBE) emission The room-temperature photoluminescence (PL) using a Nd: yttrium-aluminum-garnet laser with a wavelength of 325 nm and a 6 ns pulse width as the excitation source and a 3 nm spectrometer (Shimadzu Corp. RF-5301) with an intensified charge coupled device (ICCD) camera (Roper Scientific) as the detection stage可以先无辐射跃迁到缺陷中心，在下来也可以辐射跃迁到缺陷中心，在无辐射到价带主要，看缺陷中心的能级 在哪里

发光机制几种辐射复合跃迁发光类型:

1.激子复合发光

在纯净的ZnO薄膜材料中，电子和空穴能形成激子，激子的束缚能约为60 meV，激子的复合能发射出窄的谱线。激子复合发光包括自由激子复合发光、束缚激子发光、激子-激子碰撞发光，还有声子参与的激子发光以及电子-空穴等离子体复合受激发光等情况。

2.带间跃迁发光

在非平衡状态下，导带的电子跃迁到价带和和价带的空穴复合产生带间跃迁发光。由于氧化锌材料室温下的禁带宽度高达3.37 eV，其带间跃迁引起的发光波长都在375 nm以下，处在紫外光波段上。ZnO是直接带隙半导体，具有相同k值的电子态之间的跃迁，其动量守恒，因此其发光效率比间接带隙半导体要高。

3.能带与缺陷能级之间的电子跃迁发光

ＰＬ谱测试仪器：

测试仪器上有一个激发光源，还有个单色仪和探测器 有激光光源、氙灯。

激光的三个必要条件：泵浦源，激发材料，谐振腔。有三原色要做激光，越窄越好。 光致发光大致机理：

半导体的发光机理主要就是先的有个激发光源，激发半导体使得电子从夹带跃到导带，然后从导带跃迁到低能级导致发光。

ZnO光致发光讨论要点：

氧化锌里有氧空位和锌填隙，氧空位，发绿，间隙氧导致光黄光的，除了380的紫外发光，其他都是缺陷发光

光致发光PL谱分析：

找峰位，看峰强，看半高宽，如果峰位差不多，看有没有红移或者蓝移。

激子发光：

激子 是电子和空穴的符合体，UV是本征发光是由于激子符合发光 本征发光可以是带间跃迁，也可以是激子复合导致的 结晶不好，一般得不到UV的，电子一般是回到缺陷能级，至于激子的精细分析要做低温

本征发光和缺陷发光：

本征发光和缺陷发光，一般是此消彼长的 相互竞争的 ，量子限制效应一般是针对本征的 表面态引入的是表面态能级，表面态也可以近似归结为缺陷发光类型。

可用于发光的材料，纳米结构种类？点，线，棒，带，core-shell，环……各自的特点？ 用得多是首先是宽禁带半导体。例如现在做蓝光的GaN，ZnO，SiC。感觉好像低维材料的纳米效应等性质并不明显V近红外有Ⅲ－Ⅴ族的，红外则是窄禁带的TeCdHg等。因此纳米材料的发光性质往往跟快体差不多，只是可能引入由于量子效应（不遵循电子跃迁法则），表面效应等的杂质能级。

稀土掺杂

是独立中心发光还是复合发光 好像理论上争议比较大。目前是独立中心发光占优势，ZnO参杂都参什么 Fe Co Ni Cu Sn以及稀土元素等

影响发光的因素有哪些？是怎么影响发光的？发光的类型有哪几种？有什么用途？ 纳米晶内部的完整性、缺陷种类和浓度 掺杂、结晶度 最基本的是能级结构

表面态，表面有机物CAPPING 再，就是，因为材料的表面与内部的晶格常数不同，其布里渊区有所变化导致能带结构与内部不同，进而禁带宽带也会不同。所谓的表面态只能是在能带面在表面部分偏离了其内部的区域，就像在一维情况出现能带的弯曲一样。

显示器 固体激光器 平面显示器 光波导 但PL谱主要是为了得到固体内部的能级结构。 PVP 钝化的ZnO发光边强（机物CAPPING后，变强变弱都有可能 ）

未被PEO包覆的ZnO纳米粒子，界面存在很多缺陷，表面态俘获光生空穴的几率很大，相应的，光生空穴隧穿回晶体内部以及和浅能级电子复合的几率也很高，因此，未经PEO包覆的ZnO纳米粒子的可见光发射很强。ZnO被PEO包覆后，经过表面修饰，补偿了ZnO表面的一些悬键，减少了结构缺陷，阻隔了产生可见区发光的通路，从而表面态俘获光生空穴以及光生空穴隧穿回晶体内部的几率大大降低，导致了ZnO纳米粒子的可见光发射强度降低。而且，ZnO的紫外发射和可见光发射是两个相互竞争的过程，当可见光发射强度降低时，紫外发射的强度就会大大增强。随着配比的PEO质量浓度的增加，ZnO的紫外发射与可见光发射的强度比是逐渐增大的。因为PEO的浓度越大，就能饱和越多的表面缺陷，导致了可见光发射强度降低。同时，紫外发射的强度增强，因此紫外发射与可见光发射的强度比是逐渐增大的。这表明ZnO纳米粒子的深能级发射是与表面态相关的，通过PEO的表面修饰能够有效的钝化表面，提高ZnO纳米粒子的紫外发光效率。

做掺杂时候，尤其是纳米线，如何判断是再线上

掺杂的表正很是问题 这个只有做高分辨吧？TEM可以说元素在里面，如果晶格很整齐，比较有说福利 HRTEM，只能从反面说没有形成团簇和第二相。现在单跟纳米线的表征很不完善，有待于研究提高。

P, N 结

从发光上来说，好像也不说是p型还是n型，做p型主要为了PN结。不做成器件怎么用，所以要PN结，做发光二极管。不过大部分仍然认为是N型的。的p型的跟ZnO的n型的 也可以，那叫异质结。同质结更好用。至少晶格失配少。很难的，要晶格匹配还要热膨胀系数匹配发光应该不会涉及到P、n型，对于同一种材料，P、n型不影响禁带宽度。N、P型的费米能级有些差别而光致发光也只是激发费米能级附近的电子

声子伴线：

是在低温看见的 在发光过程中声子参与进来了 可以解释温度相关的光谱 纵向光学声子 在较高温度下声子是可以与光子耦合的 pl上的声子，不是总是能出来的不过一定是在低温 霍尔效应：

霍尔效应可以测得电子和空穴的浓度，从而可以确定那个是多数载流子，那个是少数载流子。霍尔效应可以测得电子和空穴的浓度，但对于纳米粉体操作性不大

UV与结晶度的关系

发光强度与结晶度有关联 结晶度越好，单一性当然越好。缺陷等的干扰少 结晶度差，缺陷就多，非辐射符合中心就多，强度肯定要下降。展宽就越少。