一种新型电致发光器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型电致发光器件及其制备方法，属于半导体光电子器件领域，提供了基于金属纳米结构/氧化锌微米线复合结构的电致发光器件。本发明专利技术包括Ga掺杂ZnO微米线、金属纳米结构、铟电极、石英片。本发明专利技术中所制备Ga掺杂ZnO微米线直径范围在5~30μm，长度可达2cm，选用Ga作为有效施主掺杂源，通过改变反应源的质量比，实现不同Ga掺杂浓度的发光中心波长在500nm~650nm范围可调谐的电致发光光源；得益于金属纳米结构较强的局域场增强效应，采用物理溅射以及旋涂的方法对ZnO:Ga微米线进行金属纳米结构表面修饰，实现了微米线发光中心波长、发光区域的调控，从而制备局域式点光源、红绿交替的阵列式光源等。

A New Electroluminescent Device and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型电致发光器件及其制备方法
本专利技术属于半导体光电子器件领域，尤其涉及一种新型电致发光器件及其制备方法。
技术介绍
随着光电材料制备技术和表征手段的飞速发展，光电子功能型器件的集成度越来越高，器件的尺寸逐渐逼近物理极限。因此，对于尺寸、形状和成分可控的新型微纳材料的制备和微纳器件研究尤为重要。一维半导体微纳结构因拥有优越的光电特性、独特的几何结构、天然的侧面和端面作为谐振腔，被认为是集成光电器件最理想材料之一。同时与平面结构相比，半导体微纳结构可用于制造阈值更低、功率要求更低的光源。作为直接带隙的宽禁带半导体材料ZnO，其禁带宽度为3.37eV，具有高激子结合能、原料丰富、价格低廉、丰富微纳结构、环境友好和抗辐射能力强等优点，同时，ZnO材料具有优异的光学、电学性能，这为实现室温高效发光提供了可能。与纳米结构相比，ZnO微米结构同样具有较高的结晶质量，并且在实验上更易于操作、尺寸更可控等优点。相比较于薄膜材料，ZnO微米结构的生长和制备的可控性，为掺杂和材料的合金化提供一种可行的渠道。基于以上特性，ZnO被认为是新一代的光电半导体材料，具有广阔的应用背景，在全球范围内掀起研究热潮。要实现ZnO在光电领域的广泛应用，在材料的生长、可控性掺杂和制备技术依然是目前所需要面临的挑战。作为半导体微纳光源，不可避免会面临四种问题:载流子能不能有效注入；半导体微纳结构基光学谐振腔质量的改善问题；半导体微纳结构表面缺陷的抑制与调控问题；金属/半导体接触诱导的焦耳热的耗散问题。基于可控性掺杂，对材料的带隙调控，通过选择不同能带或者组分的ZnO微米线，实现发射波长的可调谐。然而对于单个微纳结构来说，发射波长的调谐范围是有限的，单个器件的主动调谐仍然有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新型电致发光器件及其制备方法，提供了基于金属纳米结构/氧化锌微米线复合结构的电致发光器件，金属纳米结构具有较强的局域场增强效应，通过构筑金属/半导体复合结构，利用金属表面等离激元光诱导热电子效应进一步实现波长的可调谐及发光区域的调控。为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种新型电致发光器件，包括自下而上依次设置的石英片、ZnO:Ga微米线、金属纳米结构、铟电极。以上所述结构中，所述石英片尺寸为3cm×2cm，所述ZnO:Ga微米线的直径为5-30μm，长度为2cm，金属纳米结构为不同等离激元共振峰的纳米球、纳米棒、纳米片或纳米双锥结构，所述金属/氧化锌微米线复合结构四周溅射一层致密的TiO2的薄膜。一种新型电致发光器件的制备方法，包括以下步骤：(1)Ga掺杂的ZnO微米线的制备：将ZnO、C、Ga2O3粉末充分研磨，用清洗过的单晶硅衬底收集微米线，持续通入混合10%的氧气和90%氩气，维持流速为每分钟150cm3，采用化学气相沉淀法，在1100℃下保持45分钟，冷却至室温，得到ZnO:Ga微米线；(2)将石英衬底裁剪成矩形块，超声清洗，然后把步骤(1)得到的ZnO:Ga微米线移到石英衬底上，采用铟作为电极，用铟电极把所述ZnO:Ga微米线两端固定在石英衬底上，热处理使微米线固定在石英衬底上；(3)表面修饰的金属纳米结构的制备：在ZnO:Ga微米线表面制备金属纳米结构，得到金属纳米结构/氧化锌微米线复合结构的电致发光器件。以上所述步骤中，步骤(1)中所述Ga2O3的纯度≥99.99%，所述C的纯度≥99.99%，所述ZnO的纯度≥99.99%，所述ZnO、Ga2O3、C的质量比为ZnO:Ga2O3:C=(6~9):1:(7~11)，通过改变反应源中Ga2O3的质量比，制备出不同Ga掺杂浓度的ZnO:Ga微米线，Ga掺杂浓度的改变可实现ZnO微米线电致发光中心波长在500nm~650nm范围内调控，为保证合成的ZnO:Ga微米线具有较高的结晶质量，应相应提高反应温度和延长生长时间，在合成过程中，温度要尽可能快的达到生长温度以保证Zn和Ga蒸汽能快速混合，生长出的微米线的直径5-30μm，长度可达2cm；制备的不同Ga掺杂浓度的ZnO:Ga微米线，在电注入下，当电压达到一定阈值，可以在微米线的中心观测到明显的发光现象。如图5（a）在低Ga掺杂下，微米线发蓝绿光。逐渐增加Ga的掺杂浓度，依次出现绿光、黄绿光、黄光、红光，其EL光谱在可见光波段范围内发光覆盖500nm-650nm，并且在红外波段一直会有900nm左右的振荡峰。步骤(3)中金属纳米结构的制备采用等离子体磁控溅射技术或化学法，所述等离子体磁控溅射技术制备金属纳米结构的过程为：将制备好的微米线器件放入到磁控溅射仪真空腔内，选用金属靶材，持续通入氩气作为保护气，真空度保持在31Pa，溅射电流28mA，通过控制溅射的时间改变金属准粒子薄膜的厚度，退火后形成金属纳米颗粒，所述金属靶材为Au、Ag或Al靶；所述化学法为种子法或溶胶法。有益效果：本专利技术提供了一种新型电致发光器件及其制备方法，提供了基于金属纳米结构/氧化锌微米线复合结构的电致发光器件，金属纳米结构具有较强的局域场增强效应，通过构筑金属/半导体复合结构，利用金属表面等离激元光诱导热电子效应进一步实现波长的可调谐及发光区域的调控。本专利技术采用的Ga掺杂ZnO微米线，具有高结晶质量、稳定、可重复、具有优异光电特性等优点，是其它材料无可比拟的。由图2(c)SEM图像显示生长的微米线具有光滑的表面和完美的四边形截面。光致发光图2(d)以ZnO的近带边发光占主导，表面缺陷引发的可见光发光几乎观测不到，说明我们的微米线有较高结晶质量。基于单根ZnO:Ga微米线电致发光器件没有传统半导体器件的结区耗尽层。如图2(e),IV特征曲线呈完美的线性和对称关系，没有整流特性，可以直接交流电驱动，也可以直接在自然环境下发光。在大部分掺杂元素中，由于Ga原子半径和Zn原子半径相近，Ga-O(1.92Å)的共价键长度几乎等于Zn-O(1.97Å)的共价键长度，所以Ga元素是ZnO掺杂剂中最有效的n型掺杂剂，同时ZnO生长温度950℃和Ga2O3生长温度1100℃，在气固相过程中的生长温度不同，非常有利于Ga掺杂成分的调节。Ga作为本征掺杂施主，Ga原子占据Zn位有助于提高ZnO微米线中载流子的浓度。Ga掺杂的ZnO微纳结构材料用作电子器件的沟道层时具有显著的电阻调制能力。随着ZnO微米线中Ga掺杂含量的增加，过量电子形成对ZnO导带的填充，促使费米能级的上移而进入导带，增加能带间隙，从而影响ZnO的荧光发射峰和紫外发光峰的位置。本专利技术采用金属纳米结构表面修饰ZnO微米线可以提高半导体的导电能力，金半接触诱导的能量得到转移，金属表面等离激元很好的，抑制微米线表面的缺陷，进而实现发光的增强。金属/半导体复合结构为金属纳米颗粒的消逝波场的衰减和能量转移提供了平台，即产生的热电子可以隧穿金半接触势垒，形成对微米线的再注入，进而提高微米线的导电能力，实现低阈值发光。高能电子和ZnO:Ga晶格的非弹性碰撞，促使大量电子在ZnO:Ga能级结构中从价带迁移至导带，经弛豫之后跃迁至Ga取代Zn形成的杂质带，从价带的空穴辐射复合而发射光子，进一步实现对单根线基电致发光器件的调制。抑制微米线表面的缺陷，进而实现发光的增强，实现高效率发光。金属纳米颗粒的表面等离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型电致发光器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的石英片、金属/氧化锌微米线复合结构、铟电极，所述金属/氧化锌微米线复合结构自下而上为ZnO:Ga微米线、金属纳米结构。

【技术特征摘要】
1.一种新型电致发光器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的石英片、金属/氧化锌微米线复合结构、铟电极，所述金属/氧化锌微米线复合结构自下而上为ZnO:Ga微米线、金属纳米结构。2.根据权利要求1所述的新型电致发光器件，其特征在于，所述石英片尺寸为3cm×2cm，所述ZnO:Ga微米线的直径为5-30μm，长度为2cm，金属纳米结构为不同等离激元共振峰的纳米球、纳米棒、纳米片或纳米双锥结构，所述金属/氧化锌微米线复合结构四周溅射一层致密的TiO2的薄膜。3.一种新型电致发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)Ga掺杂的ZnO微米线的制备：将ZnO、C、Ga2O3粉末充分研磨，用清洗过的单晶硅衬底收集微米线，持续通入混合10%的氧气和90%氩气，维持流速为每分钟150cm3，采用化学气相沉淀法，在1100℃下保持45分钟，冷却至室温，得到ZnO:Ga微米线；(2)将石英衬底裁剪成矩形块，超声清洗，然后把步骤(1)得到的ZnO:Ga微米线移到石英衬底上，采用铟作为电极，用铟电极把所述ZnO:Ga微米线两端固定在石英衬底上，热处理使微米线固定在石英衬底上；(3)表面修饰的金属纳米结构的制备：在ZnO:Ga微米线表面制备金属纳米结构，得到金属纳米结构/氧化锌微米线复合结构的电致发光器件。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚彩侠，冒王琪，季姣龙，姜明明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32