CN110993484A - 一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法。该方法是在半导体材料表面制备金属等离激元纳米颗粒；激发半导体材料的持久光电流；然后采用红外光照射半导体材料表面，调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，实现持久光电流的快速回复。本发明主要是在半导体材料表面制备金属等离激元纳米颗粒，并结合红外光照射，调控持久光电流，操作简单，设备要求低，可实现半导体材料的大面积操作，半导体材料的表面修饰不会降低半导体材料的光响应度，可适用于多种具有亚稳态缺陷的半导体材料。本发明的调控效果明显，在等离激元的辅助下，红外光照射能够将持久光电流的恢复速度加快50倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法，实现持久光电流的快速回复，属于半导体调控技术领域。
背景技术
由于氧化锌基氧化物半导体作为低成本薄膜晶体管(TFT)在消费电子器件中的巨大潜力，氧化锌基氧化物半导体目前重新受到人们的关注。特别是高的电子迁移率、高的导热系数、宽的直接带隙和大的激子结合能，使ZnO成为透明薄膜晶体管、紫外探测器、发光二极管(LED)和激光二极管的合适选择。然而，基于ZnO的器件通常对氧空位很敏感，导致持久的光电导(PPC)效应，从而破坏了器件的可靠性和响应速度。PPC效应是光激发的自由载流子浓度的变化，这种变化在光激发被消除后仍然存在，这种现象在III-V和II-VI半导体中广泛存在。IPh＝A1exp(-t/τ1)+A2exp(-t/τ2)+I0，在光电流弛豫过程中，光电导率的衰变较快的部分可能涉及自由电子空穴对的重新组合，与自由激发弛豫同时发生。这与缺陷态密度有关，缺陷态密度起着捕获或复合中心的作用。Reemts和Kittel将衰变较慢的部分(其中光电流持久性比快的部分大一个数量级)归因于晶格弛豫过程。此外，可能还有一个与波段间重组相对应的非常快的衰减项，它是瞬时的，无法测量的。因此，PPC主要是由于晶格弛豫引起的亚稳态导电状态(MSCS)的存在，当浅层供体经历大的晶格弛豫并转变为深的供体时，MSCS在浅层和深层之间处于亚稳态，而深的供体在间隙中具有缺陷局域化状态(DLS)。除了提高材料的结晶质量，减少缺陷浓度外，目前调控持久光电流的外界刺激方法有如下几种：1、表面修饰气体氛围，2、温度，3、气体氛围，4、电压脉冲。
2018年Wang等通过在硫化镉纳米线上修饰PEDOT:PSS消除了器件中明显的持久光电流。虽然此方法操作简单，但无法自由调控，表面修饰也会降低光响应度且由于材料的限制，此方法具有局限性。M.Madel在2017年通过改变外界温度和氧气浓度改变了ZnO的持久光电流的回复时间，但是这种方法操作复杂，调控效果不明显。2012年S.Jeon等人通过在氧化锌基氧化物半导体上制成施加一个栅极脉冲电压，实现对持久光电流的快速调控，并将其应用在光显示上，这种方法虽然能够快速调控，但对材料制备要求高，器件工艺复杂。
综上所述，现在需要一种制备简单，操作简单，调控效果明显的PPC调控手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法。
术语说明
等离激元：金属中的导带电子随入射光场做步调一致的周期性振荡。
亚稳态缺陷：亚稳态缺陷是指缺陷能级由于晶格弛豫在浅施主能级与深施主能级之间具有缺陷局域化状态。浅施主能级经历大的晶格弛豫转变为深施主能级。
持久光电流：持续光电流(PPC)现象是指即使在激励光源被关闭后，器件内的光生电流仍在继续产生，并持续一段时间。
本发明的技术方案如下：
一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法，包括步骤如下：
在半导体材料表面制备金属等离激元纳米颗粒；激发半导体材料的持久光电流；然后采用红外光照射半导体材料表面，调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，实现持久光电流的快速回复。
本发明中，所述半导体材料为具有亚稳态缺陷的半导体材料，优选的，所述半导体材料为氧化锌(ZnO)，氮化镓(GaN)，硫化镉(CdS)，铝镓砷(AlGaAs)，或碳化硅(SiC)。
本发明中，所述等离激元的材料为具有等离激元效果的金属材料；优选的，所述等离激元的金属材料为金。
根据本发明优选的，所述制备金属等离激元纳米颗粒采用的方法为离子溅射镀膜法。
根据本发明优选的，所述金属等离激元纳米颗粒的平均粒径为30～100nm；进一步优选的，所述金属等离激元纳米颗粒的平均粒径为45nm。
本发明中，一般选择半导体材料带隙之上的光作为持久光电流的激发光源；优选的，所述持久光电流的激发光源为紫外光。
根据本发明优选的，所述红外光照射的功率密度为10～50mW/cm2，波长大于800nm，照射时间大于2s；进一步优选的，所述红外光照射的功率密度为30mW/cm2，波长为1064nm，照射时间为5s。
在本发明优选的技术方案中，一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法，包括步骤如下：
(1)将ZnO单晶晶体放置于溅射仪溅射台上，采用离子溅射镀膜法，进行离子溅射沉积金膜，溅射靶材为金靶，真空度为10-1mbar，电流为6mA，溅射时间为30s；
(2)将步骤(1)溅射上金膜的ZnO单晶晶体放入退火炉中退火，退火氛围为空气，退火温度500℃，退火时间1h；自然冷却后取出，得金等离激元ZnO单晶晶体，金等离激元的纳米颗粒的平均粒径为45nm；
(3)将步骤(2)得到的金等离激元ZnO单晶晶体在1mV的偏压下采用30mW/cm2、365nm紫外光光照处理5min，激发ZnO单晶晶体的持久光电流；关闭紫外光，然后采用30mW/cm2、1064nm红外光照射，持续照射至持久光电流消失，以调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，实现持久光电流的快速回复。
有益效果：
1.本发明通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，主要是在半导体材料表面制备金属等离激元纳米颗粒，并结合红外光照射，操作简单，设备要求低，可实现半导体材料的大面积操作，半导体材料的表面修饰不会降低半导体材料的光响应度，可适用于多种具有亚稳态缺陷的半导体材料。
2.本发明的调控效果明显，仅在红外光照射条件下，持久光电流的回复速度加快3倍，而在等离激元的辅助下，红外光照射能够将持久光电流的恢复速度加快50倍；并且本发明对于持久光电流的调控具有良好的稳定性和可重复性。
3.本发明在测试持久光电流的过程中操作过程简单，测试全程为无接触式的全光操作。
附图说明
图1为实施例1中金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的制备过程示意图；
图2为持久光电流的测试装置示意图；图中，1:Keithley2400表；2:电脑；3：信号发生器；4：365nm激光器；5：1064nm红外激光器；6：光纤；7：聚焦透镜；8：半导体材料；
图3为紫外光和红外光对金等离激元[0001]ZnO单晶晶体持久光电流的影响；图中，横坐标为时间，纵坐标为光电流的对数，上曲线为金等离激元[0001]ZnO单晶晶体紫外光照射后无光条件下持久光电流的变化情况(Au-ZnO)，下曲线为金等离激元[0001]ZnO单晶晶体紫外光照射后，在红外光照射下持久光电流的变化情况(Au-ZnO-IR)；
图4为紫外光和红外光对ZnO单晶晶体持久光电流的影响；图中，横坐标为时间，纵坐标为光电流的对数，上曲线为ZnO单晶晶体紫外光照射后无光条件下持久光电流的变化情况(ZnO)，下曲线为ZnO单晶晶体紫外光照射后，在红外光照射下持久光电流的变化情况(ZnO-IR)；
图5为紫外光和红外光对金等离激元[0001]ZnO单晶晶体和ZnO单晶晶体持久光电流的影响；图中，横坐标为时间，纵坐标为归一化处理后的光电流，紫外照射后的曲线从上至下依次为Au-ZnO、ZnO、ZnO-IR、Au-ZnO-IR；
图6为金等离激元[0001]ZnO单晶晶体在单紫外光下和紫外红外交替光照下光电流变化图；图中，横坐标为时间，纵坐标为光电流，上曲线为金等离激元[0001]ZnO单晶晶体在单紫外光下持久光电流的变化情况(UV-Dark)，下曲线为金等离激元[0001]ZnO单晶晶体在紫外红外交替光照下持久光电流的变化情况(UV-IR)。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例中半导体材料以ZnO为例，金属等离激元以溅射金膜为例，将紫外光作为持久光电流的激发光源，通过金等离激元辅助红外光调控ZnO亚稳态缺陷引起的持久光电流说明本发明的具体操作步骤，但不仅限于此。选取[0001]ZnO单晶晶体，尺寸为5×5×0.5mm3，单面抛光。
实施例1
一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法，包括步骤如下：
(1)将[0001]ZnO单晶晶体放置于溅射仪溅射台上，采用离子溅射镀膜法，进行离子溅射沉积金膜，溅射靶材为金靶，真空度为10-1mbar，电流为6mA，溅射时间为30s；
(2)将步骤(1)溅射上金膜的[0001]ZnO单晶晶体放入退火炉中退火，退火氛围为空气，退火温度500℃，退火时间1h；自然冷却后取出，得金等离激元[0001]ZnO单晶晶体，金等离激元的纳米颗粒的平均粒径为45nm；
(3)将步骤(2)的金等离激元[0001]ZnO单晶晶体采用离子溅射仪溅射叉指电极，指间距200μm，线宽200μm；溅射真空度为10-1mbar，溅射时间为2min，电流为6mA；用银胶和导线制作好晶体的两个电极，然后在1mV的偏压下采用30mW/cm2、365nm紫外光光照处理5min，激发[0001]ZnO单晶晶体的持久光电流；关闭紫外光，在30mW/cm2、1064nm红外光下进行光照处理，调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，实现持久光电流的快速回复；另外，设置对照组，关闭紫外光后，在无光照处理的条件下，检测金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的电流变化。
其中，金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的制备过程如图1所示。
在金等离激元[0001]ZnO单晶晶体紫外光和红外光光照处理的过程中，以及对照组单紫外光照射条件下，采用图2所示的实验装置检测金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的电流变化，结果如图3所示。
由图3可知，在指数型函数拟合下得到的τ1，τ2分别代表持久光电流回复过程中衰变较快部分和较慢部分的时间常数，持久光电流的回复速度主要由τ2决定的，金等离激元[0001]ZnO单晶晶体在紫外光和红外光光照处理时，τ2为178s，金等离激元[0001]ZnO单晶晶体在单紫外光照射条件下，τ2为9030s。因此可以得出在金等离激元的辅助下，红外光照射能够将持久光电流的回复速度加快50倍。
对比例1
一种红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流方法，包括步骤如下：
将[0001]ZnO单晶晶体采用离子溅射仪溅射叉指电极，指间距200μm，线宽200μm；溅射真空度为10-1mbar，溅射时间为2min，电流为6mA；用银胶和导线制作好晶体的两个电极，然后在1mV的偏压下30mW/cm2、365nm紫外光照处理5min，激发[0001]ZnO单晶晶体的持久光电流；关闭紫外光，在有无1064nm红外光光照处理的条件下，采用图2所示的实验装置检测[0001]ZnO单晶晶体的电流变化，结果如图4所示。
由图4可知，在指数型函数拟合下得到的τ1，τ2分别代表持久光电流回复过程中衰变较快部分和较慢部分的时间常数，持久光电流的回复速度主要由τ2决定的，其中，[0001]ZnO单晶晶体在紫外光和红外光处理的条件下，τ2为2750s，[0001]ZnO单晶晶体在单紫外光处理的条件下，τ2为7680s。因此可以得出红外光照仅能够将持久光电流的回复速度加快3倍。
将实施例1、对比例1的ZnO单晶晶体的电流变化归一化后如图5所示，红外光加快了持久光电流的回复，且等离激元在红外光的基础上进一步加快了持久光电流的回复。
实施例2
按照实施例1的方法通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，并采用图2所示的实验装置测试在30mW/cm2，365nm紫外光和30mW/cm2，1064nm红外光交替光照下，交替时间为5s，金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的电流变化情况，以单紫外光照射为对照组，测试结果如图6所示。
由图6可知，在未引入红外光，以单紫外光照射时，金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的持久光电流衰减率只有20～30％左右，但引入1064nm红外光后，金等离激元[0001]ZnO单晶晶体的持久光电流的衰减率达到了接近100％，且红外光调控持久光电流具有良好的稳定性和可重复性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法，其特征在于，包括步骤如下：
在半导体材料表面制备金属等离激元纳米颗粒；激发半导体材料的持久光电流；然后采用红外光照射半导体材料表面，调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，实现持久光电流的快速回复。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体材料为氧化锌(ZnO)，氮化镓(GaN)，硫化镉(CdS)，铝镓砷(AlGaAs)，或碳化硅(SiC)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离激元的金属材料为金。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备金属等离激元纳米颗粒采用的方法为离子溅射镀膜法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属等离激元纳米颗粒的平均粒径为30～100nm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述持久光电流的激发光源为紫外光。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述红外光照射的功率密度为10～50mW/cm2，波长大于800nm，照射时间大于2s。
8.一种通过等离激元辅助红外光调控亚稳态缺陷引起的持久光电流的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)将ZnO单晶晶体放置于溅射仪溅射台上，采用离子溅射镀膜法，进行离子溅射沉积金膜，溅射靶材为金靶，真空度为10-1mbar，电流为6mA，溅射时间为30s；
(2)将步骤(1)溅射上金膜的ZnO单晶晶体放入退火炉中退火，退火氛围为空气，退火温度500℃，退火时间1h；自然冷却后取出，得金等离激元ZnO单晶晶体，金等离激元的纳米颗粒的平均粒径为45nm；
(3)将步骤(2)得到的金等离激元ZnO单晶晶体在1mV的偏压下采用30mW/cm2、365nm紫外光光照处理5min，激发ZnO单晶晶体的持久光电流；关闭紫外光，然后采用30mW/cm2、1064nm红外光照射，持续照射至持久光电流消失，以调控亚稳态缺陷引起的持久光电流，实现持久光电流的快速回复。
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