Прозрачный проводящий оксид с наночастицами золота

Использование: для усиления электролюминесценции полупроводников. Сущность изобретения заключается в том, что слой оксида цинка, легированного ионами алюминия в концентрации 1,5-3,5 молярных процента с толщиной от 100 до 200 нм и слои наночастиц с размерами 38-42 нм с максимальной концентрацией 1,25⋅10¹⁶ на см³, наночастицы являются наночастицами золота, а их центры находятся на расстоянии 70-120 нм друг от друга с образованием трехмерной решетки. Технический результат: обеспечение возможности усиления электролюминесценции полупроводников, излучающих на длинах волны 590-630 нм.

 

Изобретение относится к оптоэлектронике, к составам покрытий полупроводниковых материалов, усиливающих электролюминесценцию, на базе которых могут быть созданы мощные излучающие светодиоды диапазона 590-630 нм. На данный момент известно, что при электролюминесценции полупроводников возможно усиление интенсивности люминесценции при нахождении рядом с полупроводником (расстояние до 200 нм) металлических наноструктур, в частности сферических наночастиц, с частотой плазмонного резонанса, совпадающей с частотой излучения гетероперехода полупроводника. Также известно явление плазмонного резонанса решетки, которое характерно тем, что в зависимости от расстояния между наночастицами изменяется частота плазмонного резонанса - то есть частота усиления электролюминесценции

Также известно, что оксид цинка является уникальным материалом в качестве покрытий для светодиодов: это теплопроводящий и электропроводящий материал, обладает высоким показателем преломления, то есть способен рассеивать проходящее через него оптическое излучение на очень широкие углы, что важно при его использовании в светодиодах осветительной техники. В предлагаемом патенте используется возникновение локализованных плазмонных мод в периодической структуре, вызванное упорядоченным расположением наночастиц золота в матрице из ZnO:Al.

Известно покрытие, (патент № US 20130098442 A1, опубликован 25 апреля 2013 года), состоящее из двумерного массива наночастиц золота, сформированного на поверхности фиксирующего органического слоя, состоящего из молекул, связывающихся с металлом (лигандов) электрохимическим методом представляющее собой ближнепольный резонатор для увеличения эффективности устройств оптоэлектроники (солнечных панелей, оптических сенсоров) за счет возбуждения локализованного плазмонного резонанса в диапазоне длин волн от 599 нм до 880 нм, от 592 нм до 850 нм и от 599 нм до 630 нм (в зависимости от вида лигандов, определяющих период решетки из наночастиц и размера наночастиц золота). Недостатком покрытия является сложность его применения в качестве слоя в структуре светодиода, из-за электрохимического метода получения покрытия и наличие органических молекул в структуре покрытия, что трудно совместимо с технологией получения светодиода и его условиями эксплуатации - в частности, нагревании при работе.

Известно покрытие, (патент № US 20110133157 A1, опубликован 9 июня 2011 года), состоящее из наноразмерных слоев серебра и золота, сформированных на поверхности слоя InGaN/GaN квантовых ям в свою очередь сформированных на подложке сапфир/ GaN, где слой золота граничит со слоем InGaN/GaN квантовых ям, а слой серебра с воздухом, представляющее собой усиливающий электролюминесценцию нитридного светодиода слой за счет возбуждения поверхностных плазмонных мод на границе металл/ полупроводник и варьирования длины волны возбуждения плазмонных мод в диапазоне длин волн от 442 нм до 563 нм за счет изменения толщин одного металлического слоя относительно другого, приводящего к увеличению скорости излучательной рекомбинации и внутренней квантовой эффективности светодиода зеленого свечения. Недостатком покрытия является отсутствие эффекта усиления электролюминесценции гетероструктур на длине волны 590-630 нм.

Известно покрытие, взятое в качестве прототипа (патент № RU 2671236), состоящее из слоя прозрачного полупроводникового оксида цинка, легированного ионами алюминия, и наночастиц серебра. Недостатком прототипа является отсутствие эффекта усиления электролюминесценции гетероструктур на длине волны 590-630 нм.

Изобретение решает задачу усиления электролюминесценции полупроводников на длинах волн 590-630 нм. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении интенсивности излучения светодиодов с предложенным покрытием. Данный технический результат достигается тем, что прозрачный проводящий оксид, содержащий слой оксида цинка, легированного ионами алюминия в концентрации 1,5-3,5 молярных процента с толщиной от 100 до 200 нм и слои наночастиц с размерами 38-42 нм с максимальной концентрацией 1,25⋅10¹⁶ на см³, отличается тем, что наночастицы являются наночастицами золота, а их центры находятся на расстоянии 70-120 нм друг от друга с образованием трехмерной решетки.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.

В основе изобретения лежит эффект «решеточного» плазмонного резонанса. При соблюдении определенного расстояния между металлическими наночастицами меняется частота плазмонного резонанса этих наночастиц, так как происходит электромагнитное взаимодействие между ними.

В изобретении используются слой оксида цинка, легированного ионами алюминия, и слои наночастиц золота.

При расстоянии менее 200 нм металлических наночастиц золота от излучающих полупроводников за счет эффекта плазмонного усиления уменьшается время рекомбинации электронов и дырок, что ведет в свою очередь к повышению интенсивности люминесценции, так как увеличивается количество носителей, попадающих за единицу времени в зону проводимости и переходящих обратно в валентную зону полупроводника за счет излучательного перехода.

Многочисленными экспериментами установлено и подтверждено данными моделирования, что при расстоянии наночастиц между центрами друг друга в 110-130 нм и при их размерах 38-42 нм происходит сдвиг частоты плазмонного резонанса наночастиц золота с диапазона 530-570 нм в диапазон 590-630 нм при образовании ими трехмерной решетки. Получено экспериментальное усиление электролюминесценции светодиода, излучающего на длинах волн 590-630 нм с покрытием из патентуемого вещества в 2 раза по сравнению со светодиодом, излучающим на этих же длинах волн без патентуемого покрытия. Таким образом, изобретение обеспечивает решение задачи по усилению электролюминесценции светодиода на длинах волн 590-630 нм.

Прозрачный проводящий оксид, содержащий слой оксида цинка, легированного ионами алюминия в концентрации 1,5-3,5 молярных процента с толщиной от 100 до 200 нм и слои наночастиц с размерами 38-42 нм с максимальной концентрацией 1,25⋅10¹⁶ на см³, отличающийся тем, что наночастицы являются наночастицами золота, а их центры находятся на расстоянии 70-120 нм друг от друга с образованием трехмерной решетки.