塑性诱导的能带结构调控:砷化镓晶片的白光发射及等离激元复合结构

自然界无处不在的图形给人们以美的享受:遥远星云的螺线结构,春风拂过的湖面涟漪,雪花的六出对称,原子的有序堆积排布。图形往往伴随着功能,受益于大自然的启迪,人们也尝试在半导体材料表面制备功能性的图形结构,以改善器件在光伏、光电、光发射以及微机电系统等领域的应用。在人工晶体学科,“晶体美丽有用,构造和谐有序”,无论是晶莹剔透的金刚石,还是滤波稳频的水晶,实现微结构缺陷的可控性是材料学科的重要研究内容。然而,在晶体材料中人为制作周期性缺陷结构并实现其功能化的研究则少之又少。

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山东大学晶体材料国家重点实验室刘铎教授课题组以图形化蓝宝石衬底为模板,采用压力可控的机械压印法在砷化镓(GaAs)晶片表面获得了周期性的塑性形变区,并对其表现出的奇特的物理和化学性质进行了详细的研究。他们发现该结构在375 nm的紫外激光器激发下能够产生肉眼可见的白光发射现象,这一发现在世界上尚属首次。他们认为强烈的白光发射源于GaAs晶片塑性诱导的能带结构调控机制。作者进一步研究了该结构与硝酸银(AgNO3)溶液之间的光化学电子转移过程。发现在532 nm的激光照射下,在压痕处获得了周期性的银(Ag)纳米片等离激元阵列结构,就像“挖坑-种树”一样,这一成果使得科学研究更加富有趣味性。研究发现:来源于不同区域(如:塑性区、缺陷态和导带)的电子会导致不同的Ag纳米结构形成。高分辨电镜观测表明Ag纳米片源于纳米Ag的孪晶形成。由于GaAs的堆积层错能比较低(~ 45 ± 7 mJ/m2),全位错倾向于分解为两个Shockley不全位错和以及本征的堆积层错,成为Ag纳米片优先成核的位点;与此同时,金属Ag是堆积层错能最低的金属(~ 20 mJ/m2),易于形成孪晶Ag纳米片。简言之,Ag纳米片的形成依赖于衬底材料的几何结构和电子能带结构:几何结构提供Ag孪晶核的成核位点,电子能带结构提供Ag纳米片生长所需的电子。该半导体/等离激元复合结构表现出良好的拉曼增强和疏水性质。

该研究表明在半导体晶片表面通过周期性压痕处理,可以快捷、迅速地实现半导体能带结构裁剪和调制,对设计和制备具有奇特性质的新型半导体/等离激元复合结构提供了新的设计思路。相关研究成果近期发表在Advanced Optical Material杂志上(DOI: 10.1002/adom.201600381)上。