表面等离子体激元增强碳-硅系薄膜发光的研究

【作者】 李喆； 张溪文； 李翔； 韩高荣；

【机构】 浙江大学材料科学与工程系硅材料国家重点实验室；

【摘要】 氢化非晶碳化硅(hydrogenated amorphous silicon carbide,a-Si_1-xC_x:H)以及氢化非晶碳（hydrogenated amorphous carbon,a-C:H）薄膜在微电子和光电子领域有着广泛的应用。特别是富碳的a-Si_1-xC_x:H （蓝光—红光发射）和a-C:H （蓝光发射）,受激条件下在室温环境中即可发出较强可见光。由于该碳-硅系薄膜的发光效率相对其他传统发光材料较低,限制了该材料的广泛应用。表面等离子激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs或者SPs）是在金属与介质的界面处传播的表面电磁波的元激发,它由金属边界处的电子在纵向连续起伏振荡引起。研究人员发现SPs可以增强材料的发光强度。我们以硅烷,乙烯和氢气作为先驱体,采用PECVD方法在硅片,石英等衬底上制备了a-Si_1-xC_x:H薄膜和a-C:H薄膜。通过控制沉积工艺,实现了薄膜从蓝光到红光波段（430-650nm）的发光。通过椭偏仪、FTIR、Raman散射谱仪、荧光分光光度计,FE-SEM、UV-VIS分光光度计等测试手段,系统的研究了沉积参数对薄膜结构和发光性能的影响,并对其结构和发光机理进行了详细讨论。我们选用银作为SPs的载体,在石英衬底上制备了不同厚度的银膜,通过退火使银膜形成不同表面结构,如:不同尺寸的纳米颗粒状的银岛膜和表面粗糙的连续银膜。随后在银膜上沉积不同发光峰位、不同厚度的碳-硅系薄膜发光层,通过荧光分光光度计测量了复合薄膜的光致发光性能。结果表明,银膜所承载的SPs对不同薄膜样品均实现了PL的增强。本实验得到的PL增强效果源于SPs的近场增强效应。目前,本工作中银膜SPs对非晶碳薄膜的发光增强峰值达到了9倍以上,对非晶碳化硅薄膜的发光增强达到了4倍以上。实验结果表明,SPs增强发光的碳-硅系薄膜有潜力成为大面积发光器件的发光层材料。更多还原