ZnS：Er電致發(fā)光中SiO2與ZnS電子加速能力的比較

1、zns：er電致發(fā)光中sio2與zns電子加速能力的比較第23卷第5期v01.23.5中國(guó)稀土學(xué)報(bào)journalofthechineserareearthsociety2005年10月0ct.2oo5zns:er電致發(fā)光中sio2與zns電子加速能力的比較張?？?徐征,劉玲,孟立建(i.北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所,北京100044;2.波爾圖理工大學(xué)工程學(xué)院,波爾圖4200072,葡萄牙)摘要:在分層優(yōu)化結(jié)構(gòu)和固態(tài)陰極射線(xiàn)發(fā)光中,從電極注入的電子經(jīng)電子加速層加速后獲得更高能量成為過(guò)熱電子,過(guò)熱電子碰撞激發(fā)發(fā)光中心引起發(fā)光,其中sio2在提高過(guò)熱電子的能量方面有非常重要的作用.zns作為電子加

2、速層時(shí),也發(fā)現(xiàn)了固態(tài)陰極射線(xiàn)發(fā)光,但其發(fā)光的亮度及穩(wěn)定性都不及sio2作為電子加速層的器件.通過(guò)比較zns:er在正弦交流電驅(qū)動(dòng)下的正負(fù)半周內(nèi)的亮度變化,得出zns與sio2的電子加速能力的相對(duì)大小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:sio2的電子加速能力是zns的2.18倍.關(guān)鍵詞:電子加速;固態(tài)陰極射線(xiàn)發(fā)光;稀土中圖分類(lèi)號(hào):0482.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章編號(hào):10004343(2005)05059004最早成功商業(yè)化的無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光器件是以zns:mn為發(fā)光層的雙絕緣層結(jié)構(gòu),它的發(fā)光機(jī)制是高場(chǎng)下界面態(tài)的電子在發(fā)光層中加速并碰撞激發(fā)發(fā)光中心,夾在絕緣層之間的電子在交流電作用下通過(guò)一個(gè)彈道加速過(guò)程,可以激發(fā)發(fā)

3、光中心發(fā)光,器件工作的閾值電場(chǎng)強(qiáng)度大約是106v?cm.分層優(yōu)化結(jié)構(gòu)利用了sio作為電子加速層,將電子加速與碰撞激發(fā)的過(guò)程從空間和時(shí)間上分開(kāi),提高了過(guò)熱電子的能量,降低了器件發(fā)光的閾值電壓.利用蒙特卡羅和動(dòng)態(tài)蒙特卡羅模擬的方法研究sio中電子的輸運(yùn)問(wèn)題也有相關(guān)的報(bào)道.在深入研究了分層優(yōu)化結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)電致發(fā)光的機(jī)制后l2,將分層優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)用到有機(jī)發(fā)光材料中,發(fā)現(xiàn)了固態(tài)陰極射線(xiàn)發(fā)光_6.固態(tài)陰極射線(xiàn)發(fā)光的機(jī)理不同于發(fā)光二極管,它是在無(wú)機(jī)及有機(jī)電致發(fā)光之外的一種完全新型的電場(chǎng)誘導(dǎo)的發(fā)光.在有機(jī)小分子,聚合物以及無(wú)機(jī)材料znse中都得到了固態(tài)陰極射線(xiàn)發(fā)光,說(shuō)明是一種普遍存在的現(xiàn)象.曾分別研究了zns和si

4、o的電子加速能力,但這些實(shí)驗(yàn)是分立的,每次實(shí)驗(yàn)中的不確定因素很多,這些因素主要包括:樣品與光電倍增管的相對(duì)位置,光譜儀接收部分狹縫的大小,器件的驅(qū)動(dòng)電壓等,這使每次實(shí)驗(yàn)中的相對(duì)誤差比較大.為了減少實(shí)驗(yàn)中的相對(duì)誤差,設(shè)計(jì)了新的器件結(jié)構(gòu)ito/zns/zns:er/sio2/ito(如圖1所示).在新結(jié)構(gòu)中兩個(gè)電極都采用的是1to,這樣可以避免由于電極功函數(shù)的差異而引起從電極注入電子的數(shù)量及能量的不同.利用瞬態(tài)光譜,測(cè)量了電壓一亮度波形曲線(xiàn),從中可以看到正負(fù)半周期中發(fā)光亮度的變化.在這樣的測(cè)試條件下既可以保證驅(qū)動(dòng)電壓的大小一致,也可以達(dá)到完全相同的測(cè)試環(huán)境,比如:樣品與光電倍增管的相對(duì)位置,光譜儀

5、接收部分狹縫的大小.通過(guò)比較驅(qū)動(dòng)電壓正負(fù)半周期中器件發(fā)光亮度的變化,進(jìn)而準(zhǔn)確得到zns與sio的電子加速能力的相對(duì)大小.1實(shí)驗(yàn)制備了glass/ito/zns/zns:er/sio2/ito的器件.實(shí)驗(yàn)中用到的ito玻璃的方塊電阻是8oq?cm,sio層,發(fā)光層,zns層都是用電子束蒸發(fā)的方法制備的,都是在完全相同的環(huán)境(高真空310pa,襯底溫度150oc)中生長(zhǎng)的.器件的上電極ito是用磁控濺射生長(zhǎng)的,其生長(zhǎng)條件是:濺收稿日期:200504一o1;修訂日期:20050615基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2003cb314707),國(guó)家自然科學(xué)基金(10374001),中國(guó)博士后科學(xué)基

6、金(2003034324),北京市科技新星計(jì)劃(2o04blo),北京市自然科學(xué)基金(2032015),攀登計(jì)劃(pd270)資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:張?？?1975一),男,天津人,博士研究生;研究方向:無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光*通訊聯(lián)系人(e-mail:zhengxu)5期張福俊等zns:er電致發(fā)光中sio與zns電子加速能力的比較591射功率300w,氬氣流量15sccm,襯底溫度200.用快速熱退火儀(rapidthermalprocessor)將ito薄膜在氮?dú)鈿夥罩?00退火10min后,測(cè)得其方塊電阻是70q?cm.實(shí)驗(yàn)中得到的光譜是由光譜儀(spexfluorolog3spectromet

7、er)和四通道數(shù)字示波器(tektronixtds540dfour.channeldigitalphosphoroscilloscope)錄.在所有器件中,zns和sio層的厚度都是100nm,發(fā)光層(zns:er)的厚度是240nm.2理論計(jì)算根據(jù)fowler.nordheim隧穿原理,計(jì)算了從電極隧穿到zns或sio導(dǎo)帶的電流密度ellj.zns與sio的電介質(zhì)系數(shù)分別是8.6和3.8,根據(jù)電介質(zhì)方程可以計(jì)算出sio層電場(chǎng)強(qiáng)度是zns層電場(chǎng)強(qiáng)度的2.26倍.考慮到器件中的電場(chǎng)分布的影響,利用fowlernordheim方程計(jì)算了器件中的隧穿電流密度.jexp一(1)其中e是界面處電場(chǎng)強(qiáng)度,

8、m是電子有效質(zhì)量,是電極與所研究材料之間的勢(shì)壘.設(shè)=一,e=ee.,其中e.是與外加電壓,各層厚度有關(guān)的一個(gè)常數(shù).方程(1)可寫(xiě)成:j.cexpa(2)根據(jù)電介質(zhì)方程e1e1=e22(3)得:ezs=3.8eo,esi0=8.6eo,由此可以得到ezns=3.8,e&o-=8.6.電極與sio2和zns層之間的勢(shì)壘分別是0.6和1.2ev.將e和電極與sio和zns層之間的勢(shì)壘的數(shù)值分別代人(2)式中,利用數(shù)學(xué)軟件matlab計(jì)算可得:jzs.cexp(1.4133a)(4)jsio.cexp(1.0555a)(5)解方程(4)和(5),sio作為電子加速層時(shí)隧穿電流的密度要大于zns

9、作為電子加速層時(shí)隧穿電流的密度,這種結(jié)構(gòu)中sio層的電場(chǎng)強(qiáng)度比zns層電場(chǎng)強(qiáng)度大,因此電子經(jīng)sio層加速后將有更大部分的電子具有足夠高的能量碰撞激發(fā)發(fā)光中心.3結(jié)果與分析稀土離子的發(fā)光是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程_1”,它涉及到能帶的結(jié)構(gòu),激活劑的種類(lèi),能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的相互作用,載流子的俘獲及陷阱中電子的釋放等,很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法描述清熒光的全過(guò)程.無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光器件的性能不僅與過(guò)熱電子碰撞激發(fā)發(fā)光中心的幾率,發(fā)光中心的濃度,過(guò)熱電子的能量分布有關(guān),而且還與發(fā)光中心的碰撞激發(fā)界面有關(guān).在zns:er的薄膜電致發(fā)光中,er的fl能級(jí)位于zns基質(zhì)材料的導(dǎo)帶以下,er3的施主能級(jí)與激發(fā)態(tài)位置和5d

10、電子的參與有關(guān)_1140在交流電的驅(qū)動(dòng)下,經(jīng)加速層加速后的過(guò)熱電子直接激發(fā)發(fā)光中心或通過(guò)能量傳遞的方式將能量傳遞給發(fā)光中心.圖2是zns:er薄膜在不同電壓下的電致發(fā)光光譜.測(cè)試中觀察到器件的發(fā)光亮度并不是隨驅(qū)動(dòng)電壓增大而一直增大,器件的發(fā)光亮度先是增加,而后達(dá)到一個(gè)極大值,繼續(xù)增大電壓后,器件會(huì)變圖1器件結(jié)構(gòu)的端面圖avclengch/nm圖2zns:er在不同電壓下的電致發(fā)光光譜592中國(guó)稀土學(xué)報(bào)23卷得非常不穩(wěn)定.當(dāng)增大器件的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),不僅產(chǎn)生電子,而且也產(chǎn)生聲子和熱量,電聲子相互作用及器件產(chǎn)生的熱量對(duì)發(fā)光起到了猝滅作用,在其他發(fā)光器件中也存在這種現(xiàn)象_1,.在瞬態(tài)光譜實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了er

11、.從hi,的躍遷發(fā)光峰(528rim),得到了528nm的發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化關(guān)系.為了描述亮度與驅(qū)動(dòng)電壓極性的關(guān)系,將zns一邊的ito相對(duì)于sio一邊的ito是高電勢(shì)時(shí),定義為正半周期.從圖3電壓一亮度波形曲線(xiàn)上可以看到發(fā)光亮度在正負(fù)半周期中明顯不同,在交流電正半周期的發(fā)光亮度是負(fù)半周期中發(fā)光亮度的2.18倍.在正半周期中,電子經(jīng)sio加速后進(jìn)人發(fā)光層,在負(fù)半周期中,電子經(jīng)zns層加速后進(jìn)人發(fā)光層.在這種結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光中,發(fā)光亮度主要取決于過(guò)熱電子的能量及數(shù)量.從亮度一電壓波形圖中可以得到電子經(jīng)sio層加速后,將有更多的電子成為過(guò)熱電子.因此可以從正負(fù)半周的亮度差異推算出z

12、ns和sio的電子加速能力.從理論計(jì)算上得到,電極隧穿到sio導(dǎo)帶的電流密度大于從電極隧穿到zns導(dǎo)帶的電流密度,也就是說(shuō)當(dāng)sio作為加速層時(shí)將有更多的過(guò)熱電子.極隧穿到zns導(dǎo)帶的電流密度.利用過(guò)熱電子的數(shù)量,能量及能量分布等決定了無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光的效率,其中增加過(guò)熱電子數(shù)目是提高發(fā)光效率的有效途徑之一.在無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光中發(fā)光中心的濃度超過(guò)1%2%時(shí),會(huì)引起發(fā)光猝滅.參考文獻(xiàn):l1estevea,djafafim,rouhanid.estevechargetransfer:akeyissueinsiliconthermaloxidationgrowthj.comp.mater.sei.,2

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21、eredoptimizationschemeandsolidreverseofpolarityofsinusoidalvoltage.theratioofstatecathodoluminescence,siliconoxideplaysaverymaximumemissionintensityunderpositiveandnegaimportantroleinobtaininghighenergyhotelectronstotirehalfperiodis2.18.thisresultnotonlydemonexciteluminescentcentersororganicluminescentma-stratesthatpartsofprimaryelectroncomesfromelec._terials.theaccelerationabilityofelectronsofsio2trode,butelectronsinconductionbandofsio2canbeandznswascomparedthroughthevariationofemisheatedtohigherenerg