Niezbędnym elementem funkcjonowania współczesnego

Nr wniosku: 201610, nr raportu: 19966. Kierownik (z rap.): dr Małgorzata Norek
Niezbędnym elementem funkcjonowania współczesnego społeczeństwa stało się sztuczne oświetlenie, co zrodziło
potrzebę wytworzenia wysoce efektywnych i przyjaznych środowisku źródeł światła. Od wielu lat prowadzone są intensywne
badania zmierzające do opracowania efektywnych materiałów na diody świecące LED na bazie kropek kwantowych (QD)
czy studni kwantowych (QW) o pożądanym zakresie widmowym i sprawności kwantowej. Półprzewodnikowe emitery
światła posiadają wiele istotnych zalet w stosunku do tradycyjnych żarówek, takich jak duża oszczędność energii, duża
wartość luminacji, duża trwałość i sprawność, itp. Problemem, który wciąż pozostaje nierozwiązany, jest ich mała wydajność
kwantowa (IQE) oraz trudności z ekstrakcją wygenerowanych fotonów. Z uwagi na dużą wartość współczynnika załamania
światła (n) w emiterach półprzewodnikowych takich jak np. GaN, CdSe oraz Si, następuje duża dyssypacja energii
spowodowana całkowitym wewnętrznym odbiciem na granicy emiter/powietrze. Ponadto, w tego typu emiterach dominuje
rekombinacja bezpromienista par dziura-elektron (słaba emisja światła), spowodowana niską wartością energii wiązania
ekscytonu.
Jednym ze sposobów poprawy efektywności pracy diod LED stało się zastosowanie plazmonów powierzchniowych (z
ang. Surface Plasmons, SPs) generowanych przez nanocząstki metaliczne (NPs) lub regularnie teksturowane powierzchnie
metaliczne, które po dostrojeniu częstotliwości drgań SPs do energii przejścia promienistego (międzypasmowego) w danym
emiterze (rezonans SP-QW) mogą znacząco poprawić wydajność kwantową emisji (η*int), a zatem efektywność świecenia.
Plazmonowe wzmocnienie emisji zależy również od prawdopodobieństwa ekstrakcji fotonów wygenerowanych w wyniku
rezonansu (C’ext). Na parametr ten duży wpływ mają morfologia i właściwości powierzchni struktur metalicznych.
Dostrojenie do rezonansu LSPR lub SPR powinno być możliwe poprzez dobór odpowiedniego metalu (Au, Ag, lub Al),
który generuje rezonans plazmonowy w określonym zakresie spektralnym. Aluminium jest potencjalnie najlepszym metalem
do plazmonowego wzmocnienia świecenia w obszarze UV/niebieskim i to zostało pokazane w zrealizowanym projekcie pt.:
„Plazmonowe wzmocnienie luminescencji wybranych półprzewodników szrokopasmowych”.
W projekcie badane były właściwości luminescencyjne regularnych układów nanostruktur zbudowanych z dwóch
półprzewodników szerokopasmowych: ZnO i SnO2. Zademonstrowano efekt wzmocnienia plazmonowego emisji UV dla
cienkiej warstwy ZnO, wymuszony przez regularnie teksturowane podłoże Al (Rys. 1). Największe, 9-krotne wzmocnienie
uzyskano dla warstwy ZnO osadzonej na podłożu Al o odległości między centrami nano-wgłębień wynoszącej ok. 333 nm.
Rys. 1 Mikrografie SEM przedstawiające warstwę ZnO na regularnie teksturowanym podłożu Al o zmiennej geometrii (na
górze), analiza chemiczna przekroju (zdjęcia „Chemical analysis of the Al concaves”) i wzmocnienie emisji światła UV (λ ~
380 nm) w zależności od odległości między centrami nano-wgłębień w Al (na dole: graf „PL intensity(Wavelength [nm])”).
Ponadto duże, ponad 10-krotne wzmocnienie emisji w UV (przejście międzypasmowe) uzyskano dla regularnego układu
nanorurek ZnO o zmiennej geometrii po pasywacji powierzchni ZnO za pomocą ok. 5 nm warstwy Al2O3 (Rys. 2).
Selektywne chemiczne wytrawienie metrycy AAO
155-50
155-100
165-50
165-100
Rys. 2 Mikrografie SEM (po lewej) przedstawiające regularne układy nanorurek ZnO i wzmocnienie emisji światła UV (λ ~
380 nm) po pokryciu nanostruktur ZnO cienką warstwą Al2O3 (po prawej: grafy a-b „PL intensity(Wavelength [nm])”).).
Połączenie tych dwóch efektów: wzmocnienia plazmonowego i pasywacji defektów powierzchniowych za pomocą cienkiej
warstwy dielektryka tj. Al2O3, może przyczynić się do racjonalnego projektowanie i budowy efektywnych i tanich diod LED
generujące światło UV/niebieskie, które mogą w przyszłości zastąpić drogie i mniej efektywne diody LED na bazie GaN.