磁控溅射制备的纳米晶 AlN:Er 薄膜的光学表征

为了理解掺铒 AlN 薄膜的光致发光机制并面向光子学应用，我们利用 PVD 磁控溅射合成了具有不同结晶纳米结构的非掺杂和 Er 掺杂 AlN 薄膜。我们精确测量了它们的结晶形貌和可见光致发光性质。由于铒等稀土元素的吸收截面较弱，有必要获得宿主基质与稀土之间的高效能量转移机制，以实现高发光效率。我们的策略是制备一些纳米结构，借助结构缺陷（点缺陷、晶界……）的存在在带隙中引入额外的中间电子能级，并可能导致从 AlN 基质到稀土的能量转移。通过射频磁控溅射在不同实验条件下制备了掺杂和非掺杂 AlN 薄膜，细节将予以说明。尤其将展示沉积过程中样品的负偏压如何使结晶形貌从经典柱状结构变为具有几纳米晶粒（近非晶）的高度无序多晶结构。薄膜的纳米结构可分为三类：1）类型 1 为纳米柱状（柱宽约 15 nm），2）类型 2 由短柱组成（柱宽约 10 nm），3）最后一类由等轴纳米晶组成（晶粒尺寸约 3-4 nm）。进行了高分辨率光致发光光谱以表征其光学行为。样品被 458、488 或 514 nm 激光波长激发。在柱状样品中观察到以 520 nm 为中心的宽光致发光带。在同一能量范围内，高分辨光谱还显示出若干尖锐发射峰。该精细结构可归因于铒跃迁。从类型 1 到类型 3 样品，该精细结构趋于消失。事实上，峰的相对强度降低且其半高全宽增加。这一变化可能与缺陷密度随晶粒尺寸减小而增加有关。将结合薄膜结构讨论其在可见光范围内的光致发光性质。