CN113528136B - 一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法，用二硫化钼作为发光材料，悬空氮化硅薄膜作为衬底，在氮化硅薄膜背面镀银并刻蚀纳米阵列。通过银纳米阵列激发表面等离子激元产生双共振，增加二硫化钼光的吸收效率和量子产生效率，使二硫化钼荧光增强；悬空氮化硅薄膜的应用减少了衬底对二硫化钼的影响，进一步增强了荧光。本发明增强荧光的方法所使用的结构简单且易于加工，增强荧光的效果显著。本发明中设计的结构可应用于发光器件，通过增加电极，调节背栅电压，实现二硫化钼荧光强度的调控。

Description

一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学技术领域，尤其涉及一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法。

背景技术

二硫化钼属于过渡金属二硫化物，是一种新型的二维材料，具有禁带宽度可调节、载流子迁移率高等特点，可以应用于很多领域。例如，在光电探测方面，二硫化钼有高的光吸收率和宽光谱吸收范围，因而适合于用来制作光电探测器；二硫化钼还可以用于制作场效应晶体管以及光电池。此外，不同层数二硫化钼的禁带宽度不一样。多层二硫化钼是间接带隙半导体，随着层数的降低，由于量子限域效应和边界效应，导致其禁带宽度变宽，单层二硫化钼就变成了直接带隙半导体。二硫化钼这种能带可调控的性质，使其可制作不同响应波长的光电器件。二硫化钼可发光的性质使它在发光器件方面有着不小的应用潜力。但二硫化钼的本征荧光强度弱，吸收效率和量子发射效率都比较低。因此若要利用二硫化钼制作发光器件，必须提高二硫化钼的荧光强度。

制约二硫化钼荧光强度的原因有很多，首先就是二硫化钼的吸收效率低。单层二硫化钼的厚度仅为0.65 nm，超薄的厚度使得二硫化钼分子捕获光子的能力低下。二硫化钼的吸收效率低下，导致二硫化钼能带中产生的激子数少，进而影响到二硫化钼的荧光强度。

除此以外，硅衬底对二硫化钼荧光的强度也有着影响。硅衬底与二硫化钼交界处的缺陷会捕获二硫化钼受光照后产生的激子，继而使荧光的强度降低。因此，寻找一种简单又有效增强二硫化钼荧光的方法是很有必要的。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法，解决二硫化钼本征荧光弱以及硅衬底对二硫化钼的影响。

技术方案：一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法，选用悬空氮化硅薄膜作为衬底，在氮化硅薄膜背面镀银并刻蚀纳米阵列，二硫化钼薄膜位于氮化硅薄膜正面，利用银纳米阵列作为超表面激发表面等离子双共振，银纳米阵列所激发的表面等离子双共振波长分别与激发光的波长以及二硫化钼的荧光波长匹配。

进一步的，所述银纳米阵列的每个单元由不同的矩形槽阵列构成，通过改变矩形槽的参数调控表面等离子双共振的波长。

进一步的，所述银纳米阵列的周期为400 nm，银层厚度为50 nm，氮化硅薄膜的厚度为50 nm。

进一步的，所述银纳米阵列的每个单元由四个矩形槽阵列构成，对角上的两个矩形槽参数相同，矩形1的长宽分别为85 nm和85 nm，矩形2的长宽分别为85 nm和155 nm；以逆时针依次定义为矩形Ⅰ至矩形Ⅳ，矩形Ⅰ的长宽分别为85 nm和85 nm，矩形Ⅱ的长宽分别为85 nm和155 nm，矩形Ⅰ和矩形Ⅱ的间隔为65nm，矩形Ⅲ和矩形Ⅳ的间隔为65 nm，矩形Ⅰ和矩形Ⅳ的间隔为75 nm。

进一步的，通过给结构增加电极，调节电压，实现对二硫化钼荧光的调控。

有益效果：本发明的增强荧光方法，使用了悬空氮化硅薄膜，避免了硅衬底对二硫化钼荧光的影响；其表面等离子双共振的波长可以通过改变构成银纳米阵列的矩形槽来调节，其中一个共振的波长可调至激发光波长的附近，另一个共振的波长可调至二硫化钼荧光波长的附近。激发光波长处的表面等离子共振使得电场局域在二硫化钼的表面，在强局域电场的作用下，二硫化钼吸收光子的效率变高，产生的激子更多；根据珀塞尔效应，二硫化钼荧光波长处的表面等离子共振产生的局域强电场可以使激子发射效率变高，让更多的激子进行辐射复合，最终使二硫化钼的荧光增强。表面等离子双共振从两个方面增强了二硫化钼的荧光，因此表面等离子双共振增强二硫化钼荧光的效果比单共振要优越。此外，本发明中涉及到的加工工艺流程少，工艺简单且可操作性高。

附图说明

图1为本发明基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光结构阵列单元的整体示意图；

图2为本发明基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光结构阵列单元的俯视示意图；

图3为本发明实施例构造该器件的制备流程图；

图4为本发明基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光结构的反射谱；

图5为本发明中设计的结构应用于电控二硫化钼荧光的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法，如图1所示，选用悬空氮化硅薄膜2作为衬底，在氮化硅薄膜背面镀1银并刻蚀纳米阵列3，二硫化钼薄膜位于氮化硅薄膜正面。本发明中，银纳米阵列和单层二硫化钼薄膜中间用氮化硅薄膜隔开，利用银纳米阵列作为超表面激发表面等离子双共振，银纳米阵列所激发的表面等离子双共振波长分别与激发光的波长以及二硫化钼的荧光波长匹配。银纳米阵列激发的表面等离子双共振两个波长分别在于532纳米和670纳米附近，即激发波长和荧光波长。

其中，银纳米阵列的每个单元由不同的矩形槽阵列构成，通过改变矩形槽的参数调控表面等离子双共振的波长。

本实施例中，银纳米阵列的周期为400 nm，银层厚度为50 nm，氮化硅薄膜的厚度为50 nm。如图2所示，银纳米阵列的每个单元由四个矩形槽阵列构成，对角上的两个矩形槽参数相同，矩形1的长宽分别为85 nm和85 nm，矩形2的长宽分别为85 nm和155 nm；以逆时针依次定义为矩形Ⅰ至矩形Ⅳ，矩形Ⅰ的长宽分别为85 nm和85 nm，矩形Ⅱ的长宽分别为85nm和155 nm，矩形Ⅰ和矩形Ⅱ的间隔为65nm，矩形Ⅲ和矩形Ⅳ的间隔为65 nm，矩形Ⅰ和矩形Ⅳ的间隔为75 nm。

本方法利用表面等离子激元双共振，增加二硫化钼光的吸收效率和量子产生效率，使二硫化钼荧光增强；同时，悬空氮化硅薄膜的应用减少了衬底对二硫化钼的影响，进一步增强了荧光。

如图3所示，上述结构的制备方法为：

步骤1：采用电子束蒸镀法EBE、磁控溅射法或热蒸发法在悬空氮化硅薄膜的背面镀上一层银膜；

步骤2：利用电子束光刻EBL或离子束刻蚀IBE对银膜进行刻蚀，构造出银纳米阵列；

步骤3：采用水转法将二硫化钼转移到氮化硅薄膜的正面。

上述制备过程中，在刻蚀银纳米阵列时，氮化硅薄膜也很会被打穿，出现一样的纳米阵列。当二硫化钼转移到氮化硅薄膜的正面，在矩形孔处，二硫化钼薄膜是悬空的，没有与衬底接触，从而避免了衬底缺陷对二硫化钼激子的被捕获。因此二硫化钼薄膜产生的激子有更高的概率转化为荧光，这样就增强了二硫化钼的荧光。

图4展示了本发明基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光结构的反射谱。反射谱中出现了两个谷，这表明了银纳米阵列激发了表面等离子双共振。表面等离子双共振的波长分别为532 nm和670 nm附近，这分别对应了激发光的波长和二硫化钼荧光的波长。用波长为532 nm的激光照射到银纳米阵列上，银吸收了光子，在与介质的交界处上产生了表面等离子，而银纳米阵列使表面等离子产生了双共振。波长为532 nm附近的共振增强了电场，使二硫化钼的吸收效率增大，产生更多的激子，从而增强了荧光；波长为670 nm附近的共振因为珀塞尔效应的存在，使激子转化为光子的效率提高，即量子产生效率提高，从而增强了荧光。表面等离子双共振的存在，使二硫化钼荧光大大地增强。

本发明的基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法可在发光器件、光电探测器和场效应晶体管中获得应用。

图5展示了基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光结构的另一种应用，即应用于电控二硫化钼荧光方面。在银纳米阵列结构的正反两面加上电极4，电极材料可选用金、铝等各种金属，在电极上施加电压，调节电压的范围和正负，可以实现对二硫化钼荧光强度的调节。在背栅电极上施加正向偏压时，二硫化钼的荧光会减弱；在背栅电极上施加反向偏压时，二硫化钼的荧光会增强。在背栅电极上施加正向偏压，二硫化钼受激产生的激子会被吸引至界面处，与电子结合形成三极子，用于产生荧光的激子减少，二硫化钼的荧光减弱；在背栅电极上施加反向偏压，会促使三极子解离形成激子，用于产生荧光的激子增多，二硫化钼的荧光也就增强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法，其特征在于，选用悬空氮化硅薄膜作为衬底，在氮化硅薄膜背面镀银并刻蚀纳米阵列，二硫化钼薄膜位于氮化硅薄膜正面，利用银纳米阵列作为超表面激发表面等离子双共振，银纳米阵列所激发的表面等离子双共振波长分别与激发光的波长以及二硫化钼的荧光波长匹配；

所述银纳米阵列的每个单元由不同的矩形槽阵列构成，通过改变矩形槽的参数调控表面等离子双共振的波长；所述银纳米阵列的周期为400 nm，银层厚度为50 nm，氮化硅薄膜的厚度为50 nm；所述银纳米阵列的每个单元由四个矩形槽阵列构成，对角上的两个矩形槽参数相同，矩形1的长宽分别为85 nm和85 nm，矩形2的长宽分别为85 nm和155 nm；以逆时针依次定义为矩形Ⅰ至矩形Ⅳ，矩形Ⅰ的长宽分别为85 nm和85 nm，矩形Ⅱ的长宽分别为85nm和155 nm，矩形Ⅰ和矩形Ⅱ的间隔为65nm，矩形Ⅲ和矩形Ⅳ的间隔为65 nm，矩形Ⅰ和矩形Ⅳ的间隔为75 nm。

2.根据权利要求1所述的基于悬空氮化硅薄膜增强二硫化钼荧光的方法，其特征在于，通过给结构增加电极，调节电压，实现对二硫化钼荧光的调控。

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