锯齿状AlN纳米线的光学性质研究

沈龙海,富 松

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

目前，一维半导体纳米线的可控生长是纳米光电材料研究领域的热点，它是构筑纳米功能器件的一个基本单元，其形貌和尺寸与其物理特性有着密切的联系。因此，研究不同形貌一维半导体纳米线的物理和化学特性也是纳米研究领域极富挑战性的课题[1]。

氮化铝(AlN)是重要的宽禁带半导体光电材料，具有最高的直接带隙、高热导率、高熔点、高硬度、优良的化学稳定性和无毒性等特点，在深紫外发光器件和平板显示等光电器件中具有潜在的应用前景[2]。一维AlN纳米线是重要的纳米光电材料之一，研究人员已成功地合成出纳米棒、纳米线、纳米锥等AlN纳米结构[3-5]，并研究了它们的生长机制、场发射和发光特性。最近，类似项链状自组装结构AlN纳米线也被制备出来[6-7]，但没有对其光学性质进行深入研究。本文以前期合成的锯齿状AlN纳米线为样本，研究其表面形貌对光学性质的影响。

1 实验过程

实验中使用的锯齿状AlN纳米线样品合成过程见文献[6]，样品的扫描电镜图片见图1中的插图，其表面呈现对称性的锯齿状，直径具有一定调谐性，称其为锯齿状AlN纳米线。光谱仪是英国雷尼绍(Renishaw)公司生产的inVia型共聚焦显微Raman光谱仪。Raman光谱测量使用的激发波长为488nm，采用背散射配置。傅立叶变换红外振动光谱由Nicolet Avatar 360型傅立叶变换红外光谱仪测量。光致发光光谱(PL)在拉曼光谱仪(Renishaw 1000)上完成，光源为He-Cd激光器，激发波长为325nm。

2 实验结果与讨论

2.1 Raman光谱分析

锯齿状AlN纳米线的Raman光谱见图1所示，观察到五个典型的Raman振动模式E2(low)、A1(TO)、E2(high)、E1(TO)和A1(TO)，对应的Raman频移中心分别在247cm-1、612cm-1、656cm-1、669cm-1和910cm-1附近，与单晶AlN的Raman频移吻合的很好[7]，表明锯齿状AlN纳米线具有较好的结晶质量。E2(high)模式因为对应力敏感，所以该振动模式的频率和半峰宽度常用来分析AlN的应力。高斯拟合E2(high)模式的峰值为656.6cm-1，半峰宽度为6.8cm-1，非常接近单晶体AlN的E2模式的值(峰值656cm-1，半峰宽度6.4cm-1)，表明锯齿状AlN具有很小的内应力，受表面形貌和尺寸影响较小。

2.2 红外吸收光谱分析

图2为锯齿状AlN纳米线的红外吸收光谱，从图中可以看到，在400～1000cm-1范围内有个宽和近乎平的吸收带，在这个吸收带有三个微小的吸收峰，分别是626cm-1，677cm-1和832cm-1，对应AlN的横光学模A1(TO)，E1(TO)和纵光学模LO[9]。图中还可以看到，在1000～4000cm-1波数范围内还有一些振动峰，在测试样品的制备过程中，需将KBr和微量的AlN样品进行研磨压片，所以这些振动峰可能来自研磨过程中样品表面吸附的少量的H2O、CO2和空气中的其他物质。红外吸收谱中没有观察到中心在460cm-1和950cm-1的Al-O吸收峰，说明样品表面氧化现象很弱。

图1 锯齿状AlN纳米线的Raman光谱

图2 锯齿状AlN纳米线的红外吸收光谱

2.3 光致发光光谱和发光机理

图3为室温下锯齿状纳米线的PL光谱，展示了一个较宽的发光带(光谱范围为350～750nm)。利用高斯拟合得到两个发光中心分别是537nm(2.3eV)和424nm(2.9eV)。因为AlN本征带隙为6.2eV，因此这两发光属于AlN禁带中缺陷能级之间的跃迁辐射发光。研究表明缺陷能级可能来自氧杂质ON(O原子占据了Al-N之间的空隙)、VAl或VN(Al或N空位)，将3.0eV附近的缺陷发光归结于一个浅施主能级到ON-VAl相关的深受主能级间的DAP(施主—受主对)辐射发光[10]。VN作为施主能级可能在导带下1eV左右[11]。由此，构建了锯齿状AlN纳米线可能的发光机制，如图4所示。较弱的424nm发光可归结于VN施主能级到ON-VA受主能级之间的辐射发光，较强的537nm发光可归结于ON-VA相关的深受主能级到价带的复合发光，即在3.8eV(325nm的激发光源)能量的激发下，ON-VA相关的深受主能级俘获来自价带的电子，然后再次与价带空穴复合，辐射出537nm的发光。

图3 锯齿状AlN纳米线的光致发光光谱(图中虚线为高斯拟合结果)

图4 锯齿状AlN纳米线禁带中的发光机制

3 结论

锯齿状AlN纳米线的Raman和红外吸收光谱测量结果表明：锯齿状AlN纳米线的表面形貌对其应力的影响很小，导致红外吸收振动模式的宽化。光致发光光谱测量结果表明，纳米线在424nm存在一较弱的蓝色发光，在537nm存在一绿色的主发光峰。发光机理与AlN禁带中的缺陷能级相关，较弱的蓝色发光可归于VN施主能级到ON-VA受主能级之间的辐射发光，较强的绿色发光可归于ON-VA相关的深受主能级到价带的复合发光。

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