Вісник Львівського університету. Серія фізична 56 (2019) с. 84-90
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.56.2019.84

Зелена люмінісценція мікрострижнів ZnO

Б. Турко, М. Рудко, М Дендебера, В. Капустяник, А Дувіряк, Р. Серкіз, В. Терешко

Мікрострижні ZnO, довжиною приблизно 25 мкм та з діаметром у діапазоні від 0,5 мкм до 3 мкм, вирощено з парової фази на кремнієвій підкладці. Морфологію поверхні експериментального зразка досліджено за допомогою растрового електронного мікроскопа. За температури 13 K при збудженні напівпровідниковим GaN лазером з довжиною хвилі генерації світла 405 нм виміряно спектр фотолюмінесценції мікрострижнів оксиду цинку у діапазоні довжин хвиль від 425 нм до 700 нм. Цей спектр містив дві смуги, що перекривалися, з максимумами при 500 нм та 560 нм. Досліджено кінетику загасання даних смуг. Для обох смуг свічення виділено швидку та повільну компоненти загасання. На основі отриманих експериментальних результатів та опрацювання літературних даних, зроблено припущення, що смуги випромінювання в спектрах фотолюмінесценції мікроструктур ZnO з максимумами в околі 500 нм та 560 нм виникають внаслідок електронних переходів з донорного рівня одноразово іонізованого міжвузлового цинку {\rm Zn}\rm i+ на акцепторний рівень нейтральних вакансій цинку {\rm V}\rm Zn та рекомбінації дірок з валентної зони з електронами, захопленими на рівні одноразово іонізованих вакансій кисню {\rm V}\rm O+, відповідно. Оскільки одноразово іонізовані вакансії кисню {\rm V}\rm O+ є термодинамічно нестабільними і відразу ж після припинення збудження перетворюються на нейтральні вакансії кисню {\rm V}\rm O , висловлено гіпотезу про те, що за швидку компоненту загасання смуг фотолюмінесценції в мікроструктурах відповідальними є саме такі власні дефекти в ZnO, як одноразово іонізовані вакансії кисню {\rm V}\rm O+. ZnO – матеріал більш щільний, ніж пластмасовий сцинтилятор, негігроскопічний, стабільний в широкій області температур, механічно і радіаційно стійкий, недорогий. Тому кристали ZnO можна розглядати як перспективні сцинтилятори для прецизійних часових вимірів в широкому температурному діапазоні.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Klingshirn C. ZnO: from basics towards applications / C. Klingshirn // Phys. Status Solidi (b). - 2007. - V. 244. - P. 3027-3073. https://doi.org/10.1002/pssb.200790012.
  2. Kapustianyk V. Effect of vacuumization on the photoluminescence and photoresponse decay of the zinc oxide nanostructures grown by different methods / V. Kapustianyk, B. Turko, V. Rudyk [et al.] // Optical Materials. - 2016. - V. 56. - P. 71-74. http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2016.01.057.
  3. Demidenko V. Scintillation properties of ceramics based on zinc oxide / V. A. Demidenko, E. I. Gorokhova, I. V. Khodyuk [et al.] // Radiation Measurements. - 2007.- V. 42. - P. 549-552. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2007.01.050.
  4. Ozgur U. SA comprehensive review of ZnO materials and devices / U. Ozgur, Y. Alivov, C. Liu [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2005. - V. 98. - P.041301 (103 pp.). https://doi.org/10.1063/1.1992666.
  5. Turko B. Photoluminescence study of ZnO nanostructures grown by hydrothermal method / B. I. Turko, V. B. Kapustianyk, L. R. Toporovska [et al.] // J. Nano- Electron. Phys. - 2018. - V. 10. - P.02002 (4 pp.). https://doi.org/10.21272/jnep.10(2).02002.
  6. Kapustianyk V. Synthesis of zinc oxide nanostructures by vapor phase transport / V. B. Kapustianyk, B. I. Turko, G. A. Lubochkova [et al.] // Physical Surface Engineering. - 2010. - V. 8.- P. 59-63.
  7. Panasiuk M. Photo- and thermostimulated luminescence of ZnO nanowires / M. R. Panasiuk, B. I. Turko, V. B. Kapustianyk [et al.] // Journal of Applied Spectroscopy. - 2013. - V. 80. - P. 240-243.https://doi.org/10.1007/s10812-013-9752-1.
  8. Panasiuk M. Thermally stimulated luminescence of ZnO nanowires / M. R. Panasiuk, B. I. Turko, L. R. Toporovska [et al.] // J. Nano- Electron. Phys. - 2017. - V. 9. - P. 02018 (3 pp.). https://doi.org/10.21272/jnep.9(2).02018.
  9. Xu P. S. The electronic structure and spectral properties of ZnO and its defects / P. S. Xu, Y. M. Sun, C. S. Shi [et al.] // Nucl. Instrum. Methods B. - 2003. - V. 199. - P. 286-290. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(02)01425-8.
  10. Camarda P. Luminescence mechanisms of defective ZnO nanoparticles / P. Camarda, F. Messina, L. Vaccaro [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2016. - V. 18. - P. 16237?16244.https://doi.org/10.1039/C6CP01513A.
  11. Dellis S.. Broadband luminescence in defect-engineered electrochemically produced porous Si/ZnO nanostructures / S. Dellis, N. Pliatsikas, N. Kalfagiannis [et al.] // Scientific Reports. - 2018. - V. 8. - P. 6988 (8 pp.). https://doi.org/10.1038/s41598-018-24684-6.
  12. Janotti A. Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor / A. Janotti, C. G Van de Walle // Rep. Prog. Phys. - 2009. - V. 72. - P. 126501 (29 pp.). https://doi.org/10.1088/0034-4885/72/12/126501.
  13. Chen X. Passivation mechanism of nitrogen in ZnO under different oxygen ambience / X. Chen, Z. Zhang, Y. Zhang [et al.] // Crystals. - 2019. - V. 9. - P. 204 (7 pp.). https://doi.org/10.3390/cryst9040204.
  14. Rakhesh V. Visible luminescence centers in zinc oxide films deposited by spray pyrolysis / V. Rakhesh, M. Junaid Bushiri, V. K. Vaidyan // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. - 2007. - V. 9. - P. 3740-3742.
  15. Wang Z. Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications / Z. L. Wang // J. Phys.: Condens. Matter. - 2004. - V. 16. - P. R829-R858. https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/25/R01.
  16. Gurwitz R. Interaction of light with the ZnO surface: photon induced oxygen "breathing", oxygen vacancies, persistent photoconductivity, and persistent photovoltage / R. Gurwitz, R. Cohen, I. Shalish // Journal of Applied Physics. - 2014. - V. 115. - P. 033701 (9 pp.). https://doi.org/10.1063/1.4861413.