Peningkatan Emisi UV dari ZnO pada Array Nanopartikel Perak oleh Efek Resonansi Plasmon Permukaan

Hasil dan Diskusi

Sebelum melakukan eksperimen, dilakukan perhitungan numerik dengan metode finite-difference time-domain (FDTD) untuk menganalisis pengaruh perbedaan diameter dan ruang array Ag NP pada distribusi medan listrik dan panjang gelombang resonansi plasmon permukaan. Distribusi medan listrik dan penampang hamburan (Q _kotoran ) spektrum larik Ag NP disimulasikan di bawah sumber cahaya bidang total tersebar (TFSF) yang terpolarisasi di sepanjang z -sumbu. Kelompok analisis ditempatkan di luar sumber optik untuk memantau penampang hamburan cahaya. Parameter optik Ag dipilih sebagai model CRC dari database material perangkat lunak solusi FDTD Lumerical. Distribusi medan listrik spasial yang disimulasikan pada sampel 4 dengan diameter 40 nm dan ruang 100 nm ditunjukkan pada Gambar 2a. Medan elektromagnetik lokal di sekitar NP Ag ditingkatkan sekitar 3,5 kali, yang mengarah ke kopling yang kuat antara eksiton dalam film ZnO dan SP dalam susunan NP Ag, dan menghasilkan peningkatan emisi cahaya. Gambar 2b menunjukkan Q . yang dinormalisasi _kotoran spektrum array Ag NP dengan diameter dan ruang yang berbeda. Panjang gelombang resonansi plasmon permukaan susunan Ag NP dari sampel 2 hingga sampel 6 adalah masing-masing 379, 399, 381, 402 dan 408 nm. Mempertimbangkan emisi NBE dari film ZnO sekitar 383 nm, diameter dan ruang yang dioptimalkan dari array NP Ag harus 40 dan 100 nm dalam sampel 4. Dengan meningkatkan ukuran array Ag NP dari sampel 2 menjadi 3, atau dari sampel 4 menjadi 5 , panjang gelombang resonansi plasmon permukaan membuat pergeseran merah di bawah kondisi ruang yang sama. Dengan meningkatkan ruang array Ag NP dari sampel 3 menjadi 4, panjang gelombang resonansi plasmon permukaan membuat pergeseran biru di bawah kondisi diameter yang sama. Oleh karena itu, panjang gelombang resonansi plasmon permukaan larik Ag NP bergantung pada diameter dan ruang larik Ag NP.

a Simulasi distribusi medan listrik spasial pada sampel 4 dengan diameter 40 nm dan ruang 100 nm. b Spektrum penampang hamburan yang dinormalisasi dari array Ag NP dengan diameter dan ruang yang berbeda

Pada Gambar. 3, template AAO yang ditransfer dan larik Ag NP yang sesuai ditunjukkan dalam gambar SEM. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, c, e, g, i, diameter rata-rata template AAO dari sampel 2 hingga sampel 6 diukur menjadi 33, 38, 40, 61, dan 71 nm, dan ruang rata-rata yang sesuai dari template AAO adalah 63, 61, 100, 101, 124 nm, yang sesuai dengan diameter dan ruang yang dirancang pada Tabel 1. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, d, f, h, j, diameter rata-rata larik Ag NP dari sampel 2 hingga sampel 6 diukur sebagai 8, 37, 46, 64, dan 79 nm, dan ruang rata-rata yang sesuai dari larik NP Ag adalah 59, 62, 99, 102, 122 nm. Jika diameter template AAO sekecil 33 nm, sulit untuk membentuk larik Ag NP berkala. Adapun diameter template AAO mulai dari 40 hingga 60 nm pada sampel 3, 4 dan 5, diameter larik Ag NP sesuai dengan template AAO ini. Ketika diameter template AAO sebesar 71 nm, diameter array Ag NP yang tergagap sedikit lebih besar dari template AAO, yang mungkin karena dispersi Ag NP pada pelepasan pita Kapton. Umumnya, ruang larik Ag NP yang diukur sangat cocok dengan ruang templat AAO dan sesuai dengan ukuran yang dirancang. Dan susunan Ag NP periodik yang diperoleh dapat dikontrol secara akurat dengan menerapkan template AAO yang sesuai.

Gambar SEM dari template AAO yang ditransfer dari a contoh 2, c contoh 3, e contoh 4, g contoh 5, i sampel 6, dan larik Ag NP yang sesuai dari b contoh 2, d contoh 3, f contoh 4, h contoh 5, j contoh 6

Gambar 4 menyajikan spektrum PL dari sampel yang berbeda pada suhu kamar. Seperti yang ditunjukkan, puncak dominan pada 383 nm dan puncak lemah pada sekitar 520 nm diperoleh dalam spektrum PL, yang masing-masing dikaitkan dengan emisi near band-edge (NBE) dan emisi tingkat-dalam ZnO. Emisi tingkat dalam dikaitkan dengan kekosongan oksigen [29]. Rasio intensitas antara puncak NBE dan puncak level-dalam dihitung menjadi 14 dalam sampel 1 tanpa susunan Ag NP, menunjukkan bahwa film ZnO yang ditumbuhkan oleh ALD memiliki kualitas yang baik. Intensitas puncak NBE dengan susunan Ag NP lebih tinggi daripada tanpa susunan Ag NP, yang dikaitkan dengan penggabungan antara eksiton dalam film ZnO dan SP dalam susunan Ag NP, meningkatkan medan elektromagnetik lokal dan meningkatkan laju emisi spontan ZnO . Di antara kurva PL sampel dengan diameter dan ruang yang berbeda, intensitas puncak NBE pada sampel 4 dengan diameter 40 nm dan ruang 100 nm adalah yang terkuat, yang dua kali lebih besar daripada sampel 1 tanpa larik Ag NP, menunjukkan bahwa susunan Ag NP dengan diameter 40 nm dan ruang 100 nm merupakan yang paling optimal untuk meningkatkan emisi cahaya ZnO, yang sesuai dengan hasil simulasi di atas. Selain itu, puncak level-dalam di sekitar 520 nm hampir sama untuk semua sampel, yang mengarah ke rasio intensitas tinggi 28 antara puncak NBE dan puncak level-dalam dalam sampel 4.

Spektrum PL sampel dengan diameter dan ruang berbeda pada suhu kamar

Untuk menganalisis lebih lanjut mekanisme peningkatan emisi sinar UV dengan menambahkan susunan Ag NP, peluruhan PL yang diselesaikan dengan waktu dari sampel 1 tanpa susunan Ag NP dan sampel 2 dengan susunan Ag NP dilakukan pada suhu kamar pada Gambar. 5. Kurva peluruhan dilengkapi dengan model peluruhan eksponensial untuk mendapatkan masa peluruhan (τ ) dengan persamaan \(I\left(t\right)={I}_{0}\mathrm{exp}(-t/\tau )\). Umur peluruhan sampel 1 tanpa larik Ag NP dan sampel 2 dengan larik Ag NP masing-masing disimpulkan menjadi 1,49 dan 1,24 ns. Pengurangan masa peluruhan dari 1,49 menjadi 1,24 ns menunjukkan proses peluruhan yang lebih cepat dalam ZnO dengan larik Ag NP, yang dapat dikaitkan dengan peningkatan laju emisi spontan dengan menambahkan larik Ag NP, meningkatkan sambungan antara SP dalam larik Ag NP dan rangsangan dalam ZnO.

Peluruhan PL yang diselesaikan dengan waktu sampel 1 tanpa larik Ag NP dan sampel 2 dengan larik Ag NP pada 380 nm

Untuk lebih menjelaskan peningkatan emisi sinar UV, diagram pita energi Ag/Al₂ O₃ Struktur /ZnO ditunjukkan pada Gambar. 6. Fungsi kerja Ag adalah 4,26 eV dan afinitas elektron ZnO adalah 4,35 eV, menyebabkan pita konduksi membengkok ke bawah ZnO di dekat Al₂ O₃ /ZnO antarmuka. 10-nm Al₂ O₃ lapisan diterapkan untuk memblokir proses transfer energi non-radiatif tipe Fӧrster dari semikonduktor ke logam [28]. Karena plasmon permukaan yang dihasilkan antara logam dan media dielektrik pada Ag/Al₂ O₃ antarmuka, medan listrik lokal di dekat array Ag NP ditingkatkan, meningkatkan kepadatan energi eksitasi dari cahaya yang datang dan jumlah foton yang diserap dalam jarak kopling. Secara bersamaan, medan listrik lokal yang ditingkatkan juga mendorong plasmon permukaan NP Ag yang digabungkan dengan eksiton ZnO, yang akan meningkatkan laju emisi spontan dan meningkatkan intensitas fotoluminesensi ZnO. Selain itu, mungkin ada proses lain yang elektron dalam array Ag NP melompat ke tingkat SPR dan kemudian mentransfer ke pita konduksi ZnO [28]. Dan peningkatan kerapatan elektron pada pita konduksi juga akan meningkatkan emisi NBE ZnO.

Diagram pita energi skema Ag/Al₂ O₃ /Struktur ZnO