W stronę plazmonowego wzmocnienia efektów magnetooptycznych Joanna Papierska J. Suffczyński, M. Koperski, P. Nowicki, B. Witkowski, M. Godlewski, A. Navarro-Quezada, A. Bonanni Warsztaty NanoWorld 2011, Palczew, 4-6.XI.2011
Plan prezentacji Motywacja Efekty plazmonowe na: * studniach na bazie GaN * warstwach ZnO z wyspami Ag Plany na przyszłość 2
Motywacja Jean-Guy Rousset, praca magisterska 2011 3
Inspiracja - wzmocnienie na QWs InGaN/GaN H. Zhao et al., APL 98, 151115 (2011) 4
Próbki studnie metal 50 nm GaN 5 nm AlGaN 15 nm GaN/GaN:Fe/GaN:Mn 10 nm AlGaN 15 nm AlGaN 1000 nm Al 2 0 3 s1341 QW GaN - Al 50 nm P. Nowicki IFPAN s1343 QW GaN:Mn - Ag 6 nm - Al. 44 nm s1344 QW GaN:Fe - Ag 3 nm - Al. 47 nm A. Navarro-Quezada, Alberta Bonanni JKU Linz 5
Jakie metale i dlaczego? Al ~50nm Al ~44nm Ag ~6nm Al ~47nm Ag ~3nm sp _ Ag sp _ Al 3eV 5eV QW GaN QW GaN:Mn QW GaN:Fe s1341 s1343 s1344 3.5eV Wzbudzenie emisja He-Cd 325 nm (3.81 ev) 6
PL Intensity (arb. units) PL Intensity (arb. units) 60000 50000 40000 30000 20000 10000 QW GaN QW GaN + Al QW GaN:Mn QW GaN:Mn + Ag/Al QW GaN:Fe QW GaN:Fe + Ag/Al T = 1.8 K Wzmocnienie plazmoniczne dla studni GaN/AlGaN (T=1.8K) 0 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Energy (mev) 60000 50000 40000 30000 20000 10000 QW GaN QW GaN + Al QW GaN:Mn QW GaN:Mn + Ag/Al QW GaN:Fe QW GaN:Fe + Ag/Al T = 1.8 K 0 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 Energy (mev) 7
Wzmocnienie plazmoniczne dla studni GaN/AlGaN (T=1.8K) I with metal / I without metal 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 QW GaN + Al (50nm) QW GaN:Fe + Ag/Al (3nm/47nm) QW GaN:Mn + Ag/Al (6nm/44nm) 1500 2000 2500 3000 3500 Energy (mev) Osłabienie systematycznie zależy od grubości warstwy Ag 8
PL Intensity (arb. units) Wzmocnienie plazmonowe dla studni GaN/AlGaN (T=300K) 10000 8000 6000 QW GaN QW GaN + Al QW GaN:Mn QW GaN:Mn + Ag/Al 4000 T = 300K 2000 0 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Energy (mev) 9
3.0 Wzmocnienie plazmonowe dla studni GaN/AlGaN (T=300K) I with metal / I without metal 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 QW GaN + Al (50nm) QW GaN:Mn + Ag/Al (6nm/44nm) 1500 2000 2500 3000 3500 Energy (mev) Osłabienie systematycznie zależy od grubości warstwy Ag 10
Wnioski studnie GaN/AlGaN z napyloną warstwą metalu Brak wzmocnienia plazmonowego, także w obszarze ekscytonowym (~3300meV) istotny wpływ oksydacji? Plazmony wydajnie absorbują światło, ale powstałe w ten sposób wzbudzenie plazmonowe zanika nieradiacyjnie? Obserwowany efekt nie zależy znacząco od temperatury. Widoczny wpływ Ag na obserwowane osłabienie emisji. 11
Inspiracja - plazmonowe wzmocnienie emisji w ZnO (wyspy z Ag) # 1 # 4 40-150 nm (# 1- # 4) 20-40 nm (# 1 7 #) Cheng et al., APL 92, 041119 (2008) 12
Próbki ZnO niewygrzana - warstwa ZnO pokryta wyspami srebra (Ag) poprzez krótkie napylanie wygrzana - warstwa ZnO pokryta warstwą srebra o grubości 30Å, z której po wygrzaniu ( 3 min, 750 o C) uformowały się kulki/wyspy B. Witkowski, M.Godlewski IF PAN He-Cd 325 nm (3.81 ev) Ag (wyspy) ZnO 50 60 nm Bufor GaN ~ 1μm 13
Photoluminescence Photoluminescence PL warstwy ZnO niewygrzewanej ZnO 50-60 nm / GaN + Ag islands ZnO 50-60 nm / GaN + Ag islands T=5 K with metal (Ag) T=300 K with metal(ag) T=5 K with metal (Ag) T=300 K with metal(ag) 2000 2400 2800 3200 3600 3100 3200 3300 3400 2.5 ZnO 50-60 nm / GaN + Ag islands 1.0 ZnO 50-60 nm / GaN + Ag islands I with Ag / I without Ag 2.0 1.5 1.0 0.5 T=5 K T=300 K I with Ag / I without Ag 0.8 0.6 0.4 0.2 T=5 K T=300 K 0.0 2000 2400 2800 3200 3600 0.0 3100 3200 3300 3400 14
Photoluminescence Photoluminescence PL warstwy ZnO wygrzewanej ZnO 50-60 nm / GaN + Ag annealed ZnO 50-60 nm / GaN + Ag annealed T=5 K with metal (Ag) T=300 K with metal(ag) T=5 K with metal (Ag) T=300 K with metal(ag) 2000 2400 2800 3200 3600 3100 3200 3300 3400 10 ZnO 50-60 nm / GaN + Ag annealed 2.0 ZnO 50-60 nm / GaN + Ag annealed I with Ag / I without Ag 8 6 4 2 T=5 K T=300 K I with Ag / I without Ag 1.5 1.0 0.5 T=5 K T=300 K 0 2000 2400 2800 3200 3600 0.0 3100 3200 3300 3400 15
Photoluminescence Photoluminescence PL warstwy ZnO w T = 300 K ZnO 50-60 nm on GaN buffer ZnO 50-60 nm on GaN buffer not annealed: with matal (Ag) annealed: with metal (Ag) not annealed: with matal (Ag) annealed: with metal (Ag) T = 300 K T = 300 K 2000 2400 2800 3200 3600 3100 3200 3300 3400 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 2000 2400 2800 3200 3600 0.0 3100 3200 3300 3400 16
Photoluminescence Photoluminescence PL warstwy ZnO w T = 5 K ZnO 50-60 nm on GaN buffer ZnO 50-60 nm on GaN buffer not annealed: with matal (Ag) annealed: with metal (Ag) not annealed: with matal (Ag) annealed: with metal (Ag) T = 5 K T = 5 K 2000 2400 2800 3200 3600 3100 3200 3300 3400 3.0 ZnO 50-60 nm on GaN buffer 2.0 ZnO 50-60 nm on GaN buffer I with Ag / I without Ag 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 annealed not annealed T = 5 K I with Ag / I without Ag 1.5 1.0 0.5 T = 5 K annealed not annealed 0.0 2000 2400 2800 3200 3600 0.0 3100 3200 3300 3400 17
Wnioski warstwy ZnO z wyspami Ag Silniejsze efekty plazmonowe (m. in. osłabienia emisji w obszarze ekscytonowym) zaobserwowano w przypadku próbki wygrzewanej. Osłabienie emisji nie zależy znacząco od temperatury. Kulki Ag wydajnie absorbują światło, ale powstałe w ten sposób wzbudzenie plazmonowe zanika nieradiacyjnie? 18
T with metal/ T without metal Transmission ZnO with Ag ZnO without Ag Transmisja ZnO 1000 2000 3000 4000 Photon Energy (mev) 1.00 0.75 0.50 0.25 0 2000 3000 19
Plany na przyszłość Fotoluminescencja i transmisja na: powtórzenie pomiarów na tych samych studniach z napyloną warstwą Al wpływ oksydacji? na studniach ze zoptymalizowanymi grubościami napylanych warstw wygrzewanych warstwach ZnO pokrytych cieńszą/grubszą warstwą metalu (mniejsze/ większe wyspy Ag) warstwach ZnO pokrytych dwoma metalami np. aluminium ze srebrem lub aluminium ze złotem próbkach pokrytych metalami ferromagnetycznymi (Fe, Mn, Co) przykrywanie złotem w celu uniknięcia degradacji warstwy 20
N. Grandjean et al., APL 74, 2361 (1999) 21
K. Okamoto et al., Nature Mat. 3, 601 (2004) 22
H. Zhao et al., APL 98, 151115 (2011) 23