沈龍海,富 松

(沈陽理工大學 理學院，遼寧 沈陽 110159)

目前，一維半導體納米線的可控生長是納米光電材料研究領域的熱點，它是構筑納米功能器件的一個基本單元，其形貌和尺寸與其物理特性有著密切的聯(lián)系。因此，研究不同形貌一維半導體納米線的物理和化學特性也是納米研究領域極富挑戰(zhàn)性的課題[1]。

氮化鋁(AlN)是重要的寬禁帶半導體光電材料，具有最高的直接帶隙、高熱導率、高熔點、高硬度、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和無毒性等特點，在深紫外發(fā)光器件和平板顯示等光電器件中具有潛在的應用前景[2]。一維AlN納米線是重要的納米光電材料之一，研究人員已成功地合成出納米棒、納米線、納米錐等AlN納米結構[3-5]，并研究了它們的生長機制、場發(fā)射和發(fā)光特性。最近，類似項鏈狀自組裝結構AlN納米線也被制備出來[6-7]，但沒有對其光學性質進行深入研究。本文以前期合成的鋸齒狀AlN納米線為樣本，研究其表面形貌對光學性質的影響。

1 實驗過程

實驗中使用的鋸齒狀AlN納米線樣品合成過程見文獻[6]，樣品的掃描電鏡圖片見圖1中的插圖，其表面呈現(xiàn)對稱性的鋸齒狀，直徑具有一定調諧性，稱其為鋸齒狀AlN納米線。光譜儀是英國雷尼紹(Renishaw)公司生產(chǎn)的inVia型共聚焦顯微Raman光譜儀。Raman光譜測量使用的激發(fā)波長為488nm，采用背散射配置。傅立葉變換紅外振動光譜由Nicolet Avatar 360型傅立葉變換紅外光譜儀測量。光致發(fā)光光譜(PL)在拉曼光譜儀(Renishaw 1000)上完成，光源為He-Cd激光器，激發(fā)波長為325nm。

2 實驗結果與討論

2.1 Raman光譜分析

鋸齒狀AlN納米線的Raman光譜見圖1所示，觀察到五個典型的Raman振動模式E2(low)、A1(TO)、E2(high)、E1(TO)和A1(TO)，對應的Raman頻移中心分別在247cm-1、612cm-1、656cm-1、669cm-1和910cm-1附近，與單晶AlN的Raman頻移吻合的很好[7]，表明鋸齒狀AlN納米線具有較好的結晶質量。E2(high)模式因為對應力敏感，所以該振動模式的頻率和半峰寬度常用來分析AlN的應力。高斯擬合E2(high)模式的峰值為656.6cm-1，半峰寬度為6.8cm-1，非常接近單晶體AlN的E2模式的值(峰值656cm-1，半峰寬度6.4cm-1)，表明鋸齒狀AlN具有很小的內應力，受表面形貌和尺寸影響較小。

2.2 紅外吸收光譜分析

圖2為鋸齒狀AlN納米線的紅外吸收光譜，從圖中可以看到，在400～1000cm-1范圍內有個寬和近乎平的吸收帶，在這個吸收帶有三個微小的吸收峰，分別是626cm-1，677cm-1和832cm-1，對應AlN的橫光學模A1(TO)，E1(TO)和縱光學模LO[9]。圖中還可以看到，在1000～4000cm-1波數(shù)范圍內還有一些振動峰，在測試樣品的制備過程中，需將KBr和微量的AlN樣品進行研磨壓片，所以這些振動峰可能來自研磨過程中樣品表面吸附的少量的H2O、CO2和空氣中的其他物質。紅外吸收譜中沒有觀察到中心在460cm-1和950cm-1的Al-O吸收峰，說明樣品表面氧化現(xiàn)象很弱。

圖1 鋸齒狀AlN納米線的Raman光譜

圖2 鋸齒狀AlN納米線的紅外吸收光譜

2.3 光致發(fā)光光譜和發(fā)光機理

圖3為室溫下鋸齒狀納米線的PL光譜，展示了一個較寬的發(fā)光帶(光譜范圍為350～750nm)。利用高斯擬合得到兩個發(fā)光中心分別是537nm(2.3eV)和424nm(2.9eV)。因為AlN本征帶隙為6.2eV，因此這兩發(fā)光屬于AlN禁帶中缺陷能級之間的躍遷輻射發(fā)光。研究表明缺陷能級可能來自氧雜質ON(O原子占據(jù)了Al-N之間的空隙)、VAl或VN(Al或N空位)，將3.0eV附近的缺陷發(fā)光歸結于一個淺施主能級到ON-VAl相關的深受主能級間的DAP(施主—受主對)輻射發(fā)光[10]。VN作為施主能級可能在導帶下1eV左右[11]。由此，構建了鋸齒狀AlN納米線可能的發(fā)光機制，如圖4所示。較弱的424nm發(fā)光可歸結于VN施主能級到ON-VA受主能級之間的輻射發(fā)光，較強的537nm發(fā)光可歸結于ON-VA相關的深受主能級到價帶的復合發(fā)光，即在3.8eV(325nm的激發(fā)光源)能量的激發(fā)下，ON-VA相關的深受主能級俘獲來自價帶的電子，然后再次與價帶空穴復合，輻射出537nm的發(fā)光。

圖3 鋸齒狀AlN納米線的光致發(fā)光光譜(圖中虛線為高斯擬合結果)

圖4 鋸齒狀AlN納米線禁帶中的發(fā)光機制

3 結論

鋸齒狀AlN納米線的Raman和紅外吸收光譜測量結果表明：鋸齒狀AlN納米線的表面形貌對其應力的影響很小，導致紅外吸收振動模式的寬化。光致發(fā)光光譜測量結果表明，納米線在424nm存在一較弱的藍色發(fā)光，在537nm存在一綠色的主發(fā)光峰。發(fā)光機理與AlN禁帶中的缺陷能級相關，較弱的藍色發(fā)光可歸于VN施主能級到ON-VA受主能級之間的輻射發(fā)光，較強的綠色發(fā)光可歸于ON-VA相關的深受主能級到價帶的復合發(fā)光。

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