Enhancement and tailoring of photoluminescence by the use of metallic nanostructures

Abstract

The investigation of the enhancement and tailoring of Photoluminescence of ZnO by using metallic nanostructures is presented in this PhD thesis. For this reason, two different properties of the metallic nanostructures, their plasmonic properties and their use for fabrication of porous Si, were used. Specifically, the coupling of surface plasmons and localized surface plasmon resonances with the ultraviolet part and Visible part of the Photoluminescence spectrum of the ZnO were investigated. In the case of the enhancement of Photoluminescent emission of ZnO through coupling with surface plasmons the ultra-violet emission was increased as much as six times its integral intensity, using an Al thin interlayer film between the Si substrate and ZnO thin film, and a post-fabrication Excimer Laser Annealing process. The metal interlayer enhances the intensity of the emitted light, either through the coupling of the surface plasmon that is excited at the Al/ZnO interface, in the case of light-emitting ZnO in the ultraviolet region, or by the increased back reflection from the Al layer, in the case of the visible emission. In the case of coupling of the Photoluminescence emission with Localized Surface Plasmon Resonance, Ag nanoparticles were prepared by Excimer Laser Annealing in the surface of ZnO or in the interphase of ZnO and its substrates. In both approaches RF Magnetron Sputtering and Excimer Laser Annealing were used for the fabrication of pure Visible emitting ZnO and Ag nanoparticles. Laser annealing conditions, including laser fluence and the number of pulses, were investigated. Finally, the tailoring of the photoluminescence of ZnO on top of porous Si was investigated. In this part of the project the fabrication, by an all electrochemical process, of porous Si/ZnO nanostructures with engineered structural defects leading to strong and broadband deep level emission from ZnO was investigated. Such nanostructures were fabricated by a combination of metal-assisted chemical etching of Si and direct current electrodeposition of ZnO. The results of this study reveal a correlation between the lineshape, as well as the strength of the emission, with the morphology of the underlying porous Si, that control the induced defects in the ZnO. Appropriate fabrication conditions of the porous Si lead to exceptionally bright Gaussian-type emission that covers almost the entire visible spectrum, indicating that porous Si/ZnO nanostructures could be a cornerstone material for white-light-emitting devices. The influence of the post-fabrication Excimer Laser Annealing in the photoluminescence spectrum of porous Si/ZnO nanostructure was also investigated. A blueshift of the photoluminescence emission achieved by Excimer Laser Annealing of the nanostructures with a parallel appearance of an Ultra Violet emission peak. Both the blue-shifting of the Visible emission peak as well as the intensity of the ultraviolet emission peak are strongly correlated with the Excimer Laser Annealing conditions. For understanding the mechanism behind this phenomenon, parameters like the fluence, the number of pulses, the environment and the pressure during the Excimer Laser Annealing were investigated.

Η μελέτη της ενίσχυσης και της ρύθμισης της φωταύγειας του ZnO με την χρήση μεταλλικών νανοδομών παρουσιάζεται σε αυτήν την διδακτορική διατριβή. Δύο διαφορετικές ιδιότητες των μεταλλικών νανοδομών, οι πλασμονικές ιδιότητες τους και η χρήση τους για την δημιουργία πορώδους Si, χρησιμοποιήθηκαν. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η σύζευξη επιφανειακών πλασμονίων και εντοπισμένων επιφανειακών πλασμονίων με το υπεριώδες και το ορατό μέρος του φάσματος φωταύγειας ZnO. Στην περίπτωση της ενίσχυσης της φωταύγειας του ZnO μέσω της σύζευξης της με επιφανειακά πλασμόνια η ένταση της υπέρυθρη εκπομπή ενισχύθηκε 6 φορές χρησιμοποιώντας ένα υμένιο Al ως ενδιάμεση στρώση μεταξύ του ZnO και του υποστρώματος Si, και με την επεξεργασία του με την χρήση Excimer Laser. Το μεταλλικό υμένιο ενισχύει την ένταση του εκπεμπόμενου φωτός είτε μέσω της σύζευξης με επιφανειακά πλασμόνια τα οποία διεγείρονται στην διεπιφάνεια Al/ZnO, όπως στην περίπτωση της ενίσχυσης της υπεριώδους εκπομπής, είτε με την ενίσχυση της ανακλαστικότητας λόγω του υμενίου Al, όπως στην περίπτωση της ενίσχυσης της εκπομπής στο ορατό φάσμα. Στην περίπτωση της σύζευξης της φωταύγειας του ZnO με εντοπισμένα επιφανειακά πλασμόνια νανοσωματίδια Ag δημιουργήθηκαν είτε στην διεπιφάνεια του ZnO με το υπόστρωμα είτε στην επιφάνειά του. Και στην δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν RF Magnetron Sputtering και ανόπτηση με την χρήση Excimer Laser για την κατασκευή ZnO το οποίο εκπέμπει στο ορατό και νανοσωματιδίων Ag. Διάφορες παράμετροι της ανόπτησης μελετήθηκαν. Τέλος μελετήθηκε η χειραγώγηση του φάσματος φωταύγειας του ZnO το οποίο δημιουργήθηκε στην επιφάνεια πορώδους Si. Σε αυτό το κομμάτι του έργου η κατασκευή, με την χρήση μιας συνολικά ηλεκτροχημικής διαδικασίας, νανοσυνθέσεων πορώδους Si και ZnO με συγκεκριμένες δομικές ατέλειες οδήγησε σε εκπομπή ισχυρού φωτός το οποίο καλύπτει σχεδόν όλο το ορατό φάσμα. Συγκεκριμένα οι νανοσυνθέσεις αυτές παρασκευάσθηκαν με τον συνδυασμό ηλεκτροχημικής απόξυσης υποβοηθούμενης από απόθεση μετάλλου του Si και ηλεκτροχημικής εναπόθεσης με συνεχές ρεύμα του ZnO. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής αποκαλύπτουν ένα συσχετισμό μεταξύ της μορφολογίας, όπως και της ισχύς του φάσματος εκπομπής, με την μορφολογία του πορώδους Si το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα, και ελέγχει της ατέλειες στο ZnO. Κατάλληλες συνθήκες σύνθεσης του πορώδους Si οδηγεί σε έντονη εκπομπή η οποία έχει μια Γκαουσιανή μορφή και καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του ορατού φάσματος, υποδεικνύοντας ότι οι νανοσυνθέσεις πορώδους Si και ZnO μπορούν να είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για συστήματα τα οποία εκπέμπουν λευκό φως. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της ανόπτησης με την χρήση Excimer Laser το φάσμα φωταύγειας των νανοσυνθέσεων πορώδους Si και ZnO. Η ανόπτηση οδήγησε σε μια μετακίνηση του φάσματος προς το μπλε και παράλληλα την εμφάνιση υπεριώδους εκπομπής. Τόσο η μετακίνηση προς το μπλε όσο και η εμφάνιση της υπεριώδους εκπομπής συνδέονται με τις συνθήκες ανόπτησης. Για την κατανόηση του μηχανισμού πίσω από αυτά τα φαινόμενα, μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως η ένταση ανά μονάδα επιφάνειας της δέσης του Laser, ο αριθμός των παλμών, το περιβάλλον και η πίεση κατά την ανόπτηση.