ZnO納米材料低溫等離子體表面處理對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的影響
文章出處：等離子清洗機(jī)廠(chǎng)家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-10-09
ZnO是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.370eV，激子束縛能為60meV，且具有無(wú)毒和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，因此在紫外發(fā)光及激光器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。與塊狀體材料相比較，納米線(xiàn)在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面是具有非常優(yōu)異的性能，是目前半導(dǎo)體材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，并且在光電、電子、傳感器等領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。由于ZnO納米線(xiàn)的比表面積大，所以會(huì)產(chǎn)生大量的表面態(tài)，并嚴(yán)重降低ZnO納米線(xiàn)的光學(xué)性質(zhì)。此外，納米線(xiàn)在制備合成的過(guò)程中，在表面會(huì)產(chǎn)生大量的雜質(zhì)或本征缺陷(比如氧空位缺陷、鋅間隙缺陷等)，由于這些吸附的雜質(zhì)和缺陷的產(chǎn)生可以很容易俘獲納米材料中的自由電子，所以對(duì)納米線(xiàn)的光學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。因此，改善ZnO納米線(xiàn)的表面特性，對(duì)提升納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能在器件化應(yīng)用上是非常重要的辦法。
為了提升ZnO納米結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光的光學(xué)性能，對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面修飾和控制是最有效的途徑。因此，許多科研人員已經(jīng)對(duì)納米結(jié)構(gòu)采用多種處理手段改善ZnO納米結(jié)構(gòu)的表面特性，從而提升納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，其中低溫等離子處理修飾手段可以改善ZnO納米線(xiàn)材料的表面狀態(tài)，有效消除ZnO納米線(xiàn)表面的不飽和懸掛鍵，并降低表面缺陷態(tài)，從而可有效提高ZnO納米材料的發(fā)光性能。
ZnO納米材料低溫等離子體表面處理的作用原理
等離子體處理技術(shù)的實(shí)質(zhì)是氣體分子電離產(chǎn)生的高能量自由基與材料表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而改變材料的物理化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)能級(jí)、溫度和離子密度的差異，等離子體包括高溫等離子體和低溫等離子體。其中，低溫等離子體以其高電子溫度、低氣體溫度，無(wú)需添加溶劑等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于材料表面清洗以及表面改性等方面。
等離子體是除固體，液體和氣體之外的第四種物質(zhì)狀態(tài)，由電子、離子、分子、自由基、光子和激發(fā)態(tài)組成的部分電離的氣體。它的組分十分復(fù)雜。等離子體中的粒子類(lèi)型較多而且各種粒子的性能也不一樣研究證明對(duì)材料表面起反應(yīng)的主要是電子，其次是亞穩(wěn)態(tài)粒子。等離子體撞擊材料表面時(shí)，除了將自身的能量傳遞給材料表層分子之外還可能引起表層刻蝕，使表面吸附的氣體或其他物質(zhì)的分子離開(kāi)表層部分粒子也可能發(fā)生自濺射，一些粒子特別是電子、亞穩(wěn)態(tài)粒子有可能貫穿材料內(nèi)部，貫穿深度可達(dá)5~50nm;材料內(nèi)部分子受撞擊后引起電子層受激發(fā)生電子躍遷，同時(shí)引起濺射和輻射:淺表層的電子也可能逃逸到材料表面以上的空間，部分粒子會(huì)打入材料的內(nèi)部與材料內(nèi)部原子結(jié)合，引起材料結(jié)構(gòu)的變化。
納米結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中，材料的表面會(huì)吸附一些雜質(zhì)或本征缺陷，因而會(huì)存在嚴(yán)重的表面態(tài)，所以使ZnO納米線(xiàn)表面的附近能帶會(huì)發(fā)生彎曲的狀態(tài)，從而光生載流子會(huì)被表面態(tài)俘獲，因此導(dǎo)致ZnO納米線(xiàn)的發(fā)光性能會(huì)變差。所以對(duì)納米線(xiàn)的光學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，阻礙了光學(xué)器件的應(yīng)用，因此通過(guò)簡(jiǎn)單有效的等離子體方法對(duì)納米結(jié)構(gòu)的表面處理會(huì)有增強(qiáng)發(fā)光的效果。而處理過(guò)程最重要的就是等離子體中的帶電離子清除材料表面雜質(zhì)或缺陷，過(guò)程為：(1)氣體被分裂為等離子態(tài)；(2)在材料表面吸附；(3)與材料表面的分子進(jìn)行反應(yīng)；(4)反應(yīng)后變成氣體；(5)脫離材料的表面。經(jīng)過(guò)等離子體處理之后，納米結(jié)構(gòu)表面吸附的雜質(zhì)和缺陷會(huì)被去除，因此表面態(tài)密度會(huì)降低，使能帶彎曲程度減少，并且降低了對(duì)光生空穴的捕獲作用，這將會(huì)使自由激子密度增加，從而使近帶邊發(fā)光峰的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。
采用等離子體對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理，其光學(xué)性能可以得到提升。與其他方法相比，等離子體處理具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，處理過(guò)程中產(chǎn)生的高能離子和自由基可以有效地改善ZnO納米線(xiàn)表面特性，無(wú)需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)該方法沒(méi)有其他材料的引入，可以獲得高質(zhì)量ZnO的發(fā)光。例如，利用氫、氧、氬等離子體處理ZnO材料，均可以提升其紫外發(fā)光，同時(shí)注意到處理不同時(shí)間對(duì)發(fā)光也有一定的影響。
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