ZnO納米材料低溫等離子體表面處理對其光學(xué)性質(zhì)的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：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，且具有無毒和價格低廉的優(yōu)點，因此在紫外發(fā)光及激光器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。與塊狀體材料相比較，納米線在力學(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)用價值。由于ZnO納米線的比表面積大，所以會產(chǎn)生大量的表面態(tài)，并嚴(yán)重降低ZnO納米線的光學(xué)性質(zhì)。此外，納米線在制備合成的過程中，在表面會產(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，所以對納米線的光學(xué)性能會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。因此，改善ZnO納米線的表面特性，對提升納米結(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納米線材料的表面狀態(tài)，有效消除ZnO納米線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、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，無需添加溶劑等優(yōu)勢，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型較多而且各種粒子的性能也不一樣研究證明對材料表面起反應(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，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)在生長過程中，材料的表面會吸附一些雜質(zhì)或本征缺陷，因而會存在嚴(yán)重的表面態(tài)，所以使ZnO納米線表面的附近能帶會發(fā)生彎曲的狀態(tài)，從而光生載流子會被表面態(tài)俘獲，因此導(dǎo)致ZnO納米線的發(fā)光性能會變差。所以對納米線的光學(xué)性能會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，阻礙了光學(xué)器件的應(yīng)用，因此通過簡單有效的等離子體方法對納米結(jié)構(gòu)的表面處理會有增強(qiáng)發(fā)光的效果。而處理過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)和缺陷會被去除，因此表面態(tài)密度會降低，使能帶彎曲程度減少，并且降低了對光生空穴的捕獲作用，這將會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單高效的特點，處理過程中產(chǎn)生的高能離子和自由基可以有效地改善ZnO納米線表面特性，無需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時該方法沒有其他材料的引入，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，同時注意到處理不同時間對發(fā)光也有一定的影響。