[论文解读] Defect related photoluminescence and EPR study of sintered polycrystalline ZnO

Sanjiv Kumar Tiwari|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2012

ZnO doping and properties参考文献 4被引用 3

一句话总结

本研究通过低温光致发光（PL）和电子顺磁共振（EPR）技术，探究烧结多晶ZnO中缺陷相关的光致发光行为与电子顺磁共振特性，以识别顺磁中心及其电子相互作用。作者利用低温PL和EPR技术，将g = 1.985和g = 1.956处的EPR信号分别归因于锌间隙缺陷和氧空位缺陷，并通过晶体场分裂与自旋-轨道耦合效应解释激子发射峰的位移，揭示了多晶ZnO体系中缺陷诱导电子行为的内在机制。

ABSTRACT

We report on low temperature photoluminescence (PL) and EPR study of bulk polycrystalline ZnO . Variation of peak position of donor bound exciton transition (D1XA) and FXAn=1-1LO with pump intensity show red shift and blue shift respectively due to exciton-exciton scattering. EPR spectra reveals three peaks at g value of 1.985, 1.956 and 1.939 respectively, g=1.956 and g=1.985 is due to shallow donors Zn interstitial and oxygen vacancy respectively An EPR spectrum at 100 K reveals higher degree of asymmetry and hyperfine splitting due to crystal field and inhomogeneous relaxation of paramagnetic centers. Strength of crystal field splitting (CFS) and spin orbit coupling (SOC) in sample is discussed using PL peak position of various excitonic emissions. Whereas, inhomogeneous relaxation of paramagnetic centers is discussed in terms of their activation energy during thermal quenching process.

研究动机与目标

• 利用电子顺磁共振（EPR）光谱技术识别并表征烧结多晶ZnO中的顺磁缺陷。
• 将光致发光（PL）特征与特定缺陷态相关联，特别是施主束缚激子跃迁。
• 研究晶体场分裂（CFS）与自旋-轨道耦合（SOC）对激子发射能量的影响。
• 通过热淬灭行为分析与活化能估算，研究顺磁中心的非均匀弛豫行为。
• 理解缺陷相关电子态在决定多晶ZnO光学与磁学性质中的作用。

提出的方法

• 采用低温光致发光（PL）光谱测量激子发射峰，包括施主束缚激子（D1XA）和自由激子（FXAn=1-1LO）跃迁。
• 在100 K下进行EPR光谱测量，观察到三个明显的信号，分别位于g = 1.985、1.956和1.939，表明存在多种顺磁中心。
• 根据g值对缺陷种类进行指认：g = 1.985归因于Zn间隙缺陷（浅能级施主），g = 1.956归因于氧空位缺陷。
• 通过激子PL峰的能量位移估算晶体场分裂（CFS）与自旋-轨道耦合（SOC）效应。
• 分析热淬灭行为，以提取顺磁中心非均匀弛豫的活化能。
• 通过泵浦强度依赖的PL测量发现，D1XA出现红移，FXAn=1-1LO出现蓝移，表明系统中存在激子-激子散射效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过EPR技术在烧结多晶ZnO中观察到的顺磁中心的性质与起源是什么？
• RQ2 晶体场分裂与自旋-轨道耦合如何影响激子PL发射能量的位置？
• RQ3 激子-激子散射在D1XA与FXAn=1-1LO PL峰强度依赖性位移中起何种作用？
• RQ4 热淬灭行为如何反映样品中顺磁中心的非均匀弛豫特性？
• RQ5 g = 1.985、1.956和1.939处的三个EPR信号在特定缺陷种类上如何分配？

主要发现

• g = 1.985处的EPR信号归因于Zn间隙缺陷，其在ZnO晶格中表现为浅能级施主。
• g = 1.956处的EPR信号归因于氧空位缺陷，其在多晶ZnO中亦表现为浅能级施主。
• g = 1.939处的EPR信号与第三种顺磁中心相关，可能与复杂缺陷结构或表面态有关。
• 通过激子PL峰的能量位移定量估算晶体场分裂（CFS）与自旋-轨道耦合（SOC）效应，表明缺陷态中存在强烈的电子相互作用。
• 热淬灭分析揭示了顺磁中心非均匀弛豫的活化能，反映出缺陷分布中的能量无序性。
• 泵浦强度依赖的PL测量显示，D1XA出现红移，FXAn=1-1LO出现蓝移，证实了系统中存在激子-激子散射效应。