ZnO纳米材料低温等离子体表面处理对其光学性质的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-10-09

ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.370eV，激子束缚能为60meV，且具有无毒和价格低廉的优点，因此在紫外发光及激光器件等领域具有潜在的应用价值。与块状体材料相比较，纳米线在力学、光学、电学、磁学等方面是具有非常优异的性能，是目前半导体材料领域研究的热点之一，并且在光电、电子、传感器等领域具有很大的潜在应用价值。由于ZnO纳米线的比表面积大，所以会产生大量的表面态，并严重降低ZnO纳米线的光学性质。此外，纳米线在制备合成的过程中，在表面会产生大量的杂质或本征缺陷(比如氧空位缺陷、锌间隙缺陷等)，由于这些吸附的杂质和缺陷的产生可以很容易俘获纳米材料中的自由电子，所以对纳米线的光学性能会产生非常严重的影响。因此，改善ZnO纳米线的表面特性，对提升纳米结构的光学性能在器件化应用上是非常重要的办法。

为了提升ZnO纳米结构的紫外发光的光学性能，对纳米结构进行表面修饰和控制是最有效的途径。因此，许多科研人员已经对纳米结构采用多种处理手段改善ZnO纳米结构的表面特性，从而提升纳米结构的光学性能，其中低温等离子处理修饰手段可以改善ZnO纳米线材料的表面状态，有效消除ZnO纳米线表面的不饱和悬挂键，并降低表面缺陷态，从而可有效提高ZnO纳米材料的发光性能。

ZnO纳米材料低温等离子体表面处理的作用原理

等离子体处理技术的实质是气体分子电离产生的高能量自由基与材料表面发生物理化学反应，从而改变材料的物理化学性质。根据能级、温度和离子密度的差异，等离子体包括高温等离子体和低温等离子体。其中，低温等离子体以其高电子温度、低气体温度，无需添加溶剂等优势，广泛应用于材料表面清洗以及表面改性等方面。

等离子体是除固体，液体和气体之外的第四种物质状态，由电子、离子、分子、自由基、光子和激发态组成的部分电离的气体。它的组分十分复杂。等离子体中的粒子类型较多而且各种粒子的性能也不一样研究证明对材料表面起反应的主要是电子，其次是亚稳态粒子。等离子体撞击材料表面时，除了将自身的能量传递给材料表层分子之外还可能引起表层刻蚀，使表面吸附的气体或其他物质的分子离开表层部分粒子也可能发生自溅射，一些粒子特别是电子、亚稳态粒子有可能贯穿材料内部，贯穿深度可达5~50nm;材料内部分子受撞击后引起电子层受激发生电子跃迁，同时引起溅射和辐射:浅表层的电子也可能逃逸到材料表面以上的空间，部分粒子会打入材料的内部与材料内部原子结合，引起材料结构的变化。

纳米结构在生长过程中，材料的表面会吸附一些杂质或本征缺陷，因而会存在严重的表面态，所以使ZnO纳米线表面的附近能带会发生弯曲的状态，从而光生载流子会被表面态俘获，因此导致ZnO纳米线的发光性能会变差。所以对纳米线的光学性能会产生非常严重的影响，阻碍了光学器件的应用，因此通过简单有效的等离子体方法对纳米结构的表面处理会有增强发光的效果。而处理过程最重要的就是等离子体中的带电离子清除材料表面杂质或缺陷，过程为：(1)气体被分裂为等离子态；(2)在材料表面吸附；(3)与材料表面的分子进行反应；(4)反应后变成气体；(5)脱离材料的表面。经过等离子体处理之后，纳米结构表面吸附的杂质和缺陷会被去除，因此表面态密度会降低，使能带弯曲程度减少，并且降低了对光生空穴的捕获作用，这将会使自由激子密度增加，从而使近带边发光峰的发光强度增强。

采用等离子体对ZnO纳米结构进行表面处理，其光学性能可以得到提升。与其他方法相比，等离子体处理具有简单高效的特点，处理过程中产生的高能离子和自由基可以有效地改善ZnO纳米线表面特性，无需复杂的结构，同时该方法没有其他材料的引入，可以获得高质量ZnO的发光。例如，利用氢、氧、氩等离子体处理ZnO材料，均可以提升其紫外发光，同时注意到处理不同时间对发光也有一定的影响。

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