[论文解读] Controlled defects in ZnO by low energy Ar irradiation

Soubhik Chattopadhyay, Sreetama Dutta+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2009

ZnO doping and properties参考文献 58被引用 32

一句话总结

本研究证明，低能 Ar8+ 离子束辐照（1.2 MeV，辐照剂量最高达 1×10^15 ions/cm²）可在 ZnO 中诱导出可控缺陷，主要为氧空位，导致颜色从白色显著变为深红棕色。关键结果是电阻率降低了四个数量级，这是由于施主浓度和迁移率提高所致，该结果通过光致发光和电学测量得到证实，为 ZnO 光电应用中的缺陷工程提供了可调谐途径。

ABSTRACT

We report interesting observations in 1.2 MeV Ar8+ ion irradiated ZnO which, to the best of our knowledge, have not been published earlier and will be useful for the scientific community engaged in research on ZnO. Irradiation with the initial fluence 1 X 10^15 ions/cm^2 changes the colour of the sample from white to orange while the highest irradiation fluence makes it dark reddish brown that appears as black. Such changes in colour can be correlated with the oxygen vacancy type defects. No significant change in the grain size of the irradiated samples, as revealed from the x-ray diffraction (XRD) line width broadening, has been observed. Increase of surface roughness due to sputtering is clearly visible in scanning electron micrographs (SEM) with highest fluence of irradiation. Room temperature Photoluminescence (PL) spectrum of the unirradiated sample shows intense ultra-violet (UV) emission (~ 3.27 eV) and less prominent defect level emissions (2-3 eV). The overall emission is largely quenched due to initial irradiation fluence. But with increasing fluence UV emission is enhanced along with prominent defect level emissions. Remarkably, the resistivity of the irradiated sample with highest fluence is reduced by four orders of magnitude compared to that of the unirradiated sample. This indicates increase of donor concentration as well as their mobility due to irradiation. Oxygen vacancies are deep donors in ZnO, but surely they influence the stability of the shallow donors (presumably zinc interstitial related) and vice versa. This is in conformity with recent theoretical calculations.

研究动机与目标

• 研究低能 Ar8+ 离子辐照对 ZnO 结构、光学和电学性能的影响。
• 理解氧空位及其他缺陷在调控 ZnO 电子与光学行为中的作用。
• 探索一种可控制的 ZnO 缺陷工程方法，以增强其在光电器件中的功能性能。
• 将宏观变化（颜色、电阻率）与缺陷形成及载流子浓度变化相关联。

提出的方法

• 使用 1.2 MeV 的 Ar8+ 离子对 ZnO 单晶进行辐照，辐照剂量范围为 1×10^13 至 1×10^15 ions/cm²。
• 利用 X 射线衍射（XRD）表征结构变化，并通过线宽展宽分析晶粒尺寸。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）分析溅射引起的表面形貌和粗糙度演变。
• 利用室温光致发光（PL）光谱学研究紫外发射和缺陷相关跃迁。
• 通过电阻率测量评估载流子浓度和迁移率的变化。
• 将光学与电学响应与缺陷类型（尤其是氧空位）相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 低能 Ar8+ 辐照如何改变 ZnO 的光学发射谱，特别是紫外发射与缺陷相关发射？
• RQ2 辐照剂量增加对 ZnO 电阻率有何影响，这又对缺陷诱导载流子生成意味着什么？
• RQ3 通过 XRD 和 SEM 可揭示结构参数（如晶粒尺寸和表面粗糙度）在辐照下的变化程度如何？
• RQ4 氧空位在多大程度上影响 ZnO 中浅施主的稳定性和浓度？这一推断基于观察到的电阻率和 PL 变化。
• RQ5 能否通过离子辐照实现 ZnO 中可控的缺陷工程，以定制其光电性能？

主要发现

• 在 1×10^15 ions/cm² 剂量下辐照导致颜色从白色明显变为橙色，最高剂量下呈现深红棕色（近乎黑色）。
• 在最高辐照剂量下，ZnO 的电阻率降低了四个数量级，表明施主浓度和/或载流子迁移率显著提高。
• 室温光致发光光谱显示，低剂量下紫外发射（约 3.27 eV）强烈淬灭，随后随剂量增加而增强，同时在 2–3 eV 范围内出现显著的缺陷相关发射。
• XRD 分析显示晶粒尺寸无明显变化，表明结构退化并非由晶格畸变或晶粒生长引起。
• SEM 图像证实表面粗糙度因溅射效应而增加，且在最高剂量下最为显著。
• 观察到的变化归因于氧空位的形成，其作为深能级施主，影响浅施主（可能与锌填隙相关）的稳定性，与近期理论预测一致。