局域表面等离激元增强ZnO发光二极管效率

　　ZnO具有高的激子束缚能（60 meV）和大的直接带隙（3.37 eV），应用于紫外发光二极管领域，条件可谓得天独厚。然而，愿望若要变为现实，仍有许多挑战亟待攻克。最大的困难在于如何提升ZnO紫外发光二极管的效率，即把电更加有效地转化为光。中科院半导体研究所一个小组证实，局域表面等离激元（Localized Surface Plasmon, LSPs）是增加其效率的有效途径。相关结果发表在2011年9月3日出版的《Applied Physics Letters》上。

　　LSPs是在金属纳米颗粒内电子的集体激发模式，实际上是一种耦合于导带电子集体振荡的电磁波。当金属附近发光体激发态能量与金属SPs能量相近时，通过表面等离激元共振作用可以显著增强材料或器件的发光效率。原则上LSPs能够增强 ZnO发光二极管的发光效率，但迄今为止还没有关于LSPs增强ZnO基发光器件电致发光的报道。若要使激子与LSPs有效耦合，金属纳米颗粒与发光体的距离必须足够近。上述小组采取的方案不同以往，他们不是把Ag纳米颗粒置于器件表面，而是将之插入到有源区附近。器件的近带边紫外/紫光发射果然明显增强，而与缺陷相关的绿光峰却得到了抑制。他们发现器件的电致发光强度有最高达2.5倍的增强。

图1 在北京同步辐射装置4B8-真空外实验站测得的时间分辨光荧光谱。结果显示插入Ag纳米颗粒后，弛豫时间由25ns大幅下降为约6.4ns。

　　同步辐射光源帮助该小组揭开了ZnO发光二极管效率提高的原因。在北京同步辐射装置4B8-真空紫外实验站进行的时间分辨光荧光谱表明，激子弛豫时间（有效激子寿命）在插入Ag纳米颗粒之后大大减小了（从25 ns 减小到6.4ns）。这是因为激子能量可以转移给LSPs并辐射成光，相当于提供了一个新的辐射弛豫通道。考虑到激子-LSPs耦合后，内量子效率可表示为η=(krad+ksp)/(krad+knon+ksp)，这里krad和knon分别为辐射及非辐射复合速率，而ksp表示激子与LSPs的耦合速率。因为ksp远快于krad和knon，插入Ag纳米颗粒后光致荧光弛豫速度加快了。这一新的复合通道增加了自发辐射复合速率，因此内量子效率大大提高了。从激子弛豫时间的变化估算出的辐射复合速率增强因子F为3.9，与最大的电致发光增强比（4.2）非常接近。

　　上述研究提供了一种极有前途的增强ZnO发光二极管性能的方法。“然而，这只是一些初步的结果。要解决ZnO发光二极管实用化的所有难题，我们任重道远。毫无疑问，同步辐射光源在此一定能大显身手。幸运的是，我们有一个不错的开始。”该研究组组长，中科院半导体研究所张兴旺研究员如是评价。