基于高阶共振模式的金属表面等离子体增强型ZnO紫外探测器的制备和研究

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	基于高阶共振模式的金属表面等离子体增强型ZnO紫外探测器的制备和研究
	王潇
学位类型	博士
导师	刘可为
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	ZnMgO 表面等离极化激元 MBE 波长选择性日盲探测器
摘要	紫外探测技术在空间探测、高温导弹尾焰探测等军事领域和水污染检测、臭氧空洞探测等民事领域都有着非常重要的应用,紫外探测技术的核心部分在于紫外探测器。在紫外探测器有源层材料的选取方面,ZnO材料由于其本征可见盲、带隙可调节范围大、饱和载流子漂移速率高、抗辐射性能强、工作电压低、制备手段多样、源材料丰富等优势,被认为是制备新一代可见盲及日盲紫外探测器的理想材料。经过多年研究,ZnO基紫外探测器已经取得了长足的发展,不同探测截至波长、不同器件结构的器件纷纷被报道,但是,其性能距离实用化水平还有一定距离,还存在着一些科学和技术上的问题有待解决。例如,高质量的薄膜是实现高性能紫外探测器的基础,因此如何在大范围调节Zn Mg O禁带宽度的同时尽可能的提高材料的晶体质量是目前Zn Mg O紫外探测器领域的热点和难点问题。此外,随着紫外探测器应用领域的不断拓展,人们对探测器响应的光谱选择性提出了更高的要求,如何实现具有高波长选择性的ZnO基探测器也是该领域急需解决的问题。本论文针对上述问题进行了相关的研究工作,并取得了突破性的成果。具体结果如下:1.利用等离子体辅助分子束外延设备在c面蓝宝石衬底上制备了高质量的ZnO和ZnMgO薄膜,研究衬底温度对ZnMgO薄膜的带隙及结晶质量的调控作用。提出低衬底温度是实现组分接近的六角相和立方相Zn MgO同时共存的原因,且在低衬底温度下实现的混相Zn MgO薄膜由于组分接近,其具有单一的吸收边。此外,相对较低的衬底温度抑制了生长过程中Zn原子在薄膜表面的逸出,因此获得了相对较好的结晶质量,更适宜进行混相区探测器件的制备。在此基础上我们实现了高性能的中紫外区和日盲紫外区探测器件,器件响应度可达258 A/W,暗电流低至75 pA,响应时间在百毫秒量级,紫外-可见抑制比最高可达四个量级。更值得突出说明的是,将该系列紫外探测器进行封装后,日盲区响应度仍在6.8A/W以上,达到了可实用化水平。2.通过时域有限差分法理论模拟的方式验证了在ZnO表面的大尺寸Ag纳米颗粒能够激发表面等离极化激元,其共振模式以高阶共振为主。在蓝宝石衬底上实现了紫外区消光峰(四极子共振)强度与可见区(偶极子共振)的接近的随机分布的Ag纳米颗粒团簇,并可通过Ag纳米颗粒形貌及尺寸的调控可以实现消光峰强度和频率的调控。此外,该银纳米颗粒的四极子等离子体共振可与ZnO的带边激子发光耦合,进而实现了ZnO的室温光致发光在紫外区明显增强(约1.5倍)。3.制备了具有条状电极的Ag纳米粒子覆盖的ZnO光电导型紫外探测器件,相比于同结构的没有Ag纳米粒子覆盖的ZnO紫外探测器件,380 nm处的峰值响应度由2.16 A/W提升至2.86 A/W,暗电流密度由60 mA/cm~2降低至38 m A/cm~2,光响应谱半峰宽窄至10 nm,提高了器件灵敏度的同时也提高了探测的波长选择性。这种光谱选择性和探测灵敏度的提高是由Ag纳米颗粒的高阶共振模式的表面等离极化激元与ZnO的激子响应区域的能量匹配与能量转移、表面覆盖Ag金属对接收紫外光强度的削弱、表面Ag修饰带来的钝化和局域肖特基结效应这三种因素共同作用所引起的。首次实现了利用高阶共振模式的金属表面等离极化激元进行探测器的增强,对研究金属表面等离极化激元高阶共振模式的原理及进行高光谱选择性探测器的制备提供了参考。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61618
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	王潇. 基于高阶共振模式的金属表面等离子体增强型ZnO紫外探测器的制备和研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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基于高阶共振模式的金属表面等离子体增强型（7310KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文