Variations in Decay Rate of Green Photoluminescence in ZnO under Above- and Below-Band-Gap Excitation

Abstract

The mechanism of the commonly observed green photoluminescence (PL) emission in ZnO is still controversial and is being actively discussed. Herein, through comprehensive time-resolved and excitation-energy-dependent PL measurements on variously annealed ZnO samples, we show that the PL decay profile, which is well fitted to a tripleexponential function, depends not only on temperature but also on excitation energy. Under excitation with photons near the band-gap energy, the decay profile is governed by three decay components with decay times of ∼2, ∼10, and ∼50 μs. The contribution from the slower ∼10 and ∼50 μs decay components becomes dominant when the photoexcitation energy is ∼100 meV below the band-gap energy of bulk ZnO. It has also been revealed the highest green PL intensity is achieved under excitation of photons with energies ∼100 meV below the band-gap energy of bulk ZnO as well. These PL features are interpreted in terms of the formation of sub-band-gap states, band edge perturbation, and the related thermally activated trapping/detrapping processes, which can simultaneously increase the intensity and decay time of the green PL emission.

Механизмы люминесценции ZnO в видимой области спектра

“…Модель электронной рекомбинации на кислородных вакансиях рассмотрена для наноигл [15], тонких пленок [17,32] и поликристаллов [33,34] (рис. 1, b).…”

“…ZnO в атмосфере водорода при 700 • C дает высокое значение краевой люминесценции, а отжиг при 1000 • C приводит к преобладанию ЗЛ [34].…”

“…При энергиях падающих квантов hν > E g , т. е. в области межзонных переходов, интенсивность возбуждения ЗЛ уменьшается, следовательно, эффективность переноса энергии от электронно-дырочных пар к V 0 O -центрам ниже, чем при непосредственном возбуждении центров. Дело в том, что поглощение квантов с энергией hν > E g происходит в тонком (∼ 50 µm) приповерхностном слое образца, в котором образуются дважды ионизованные вакансии кислорода [34,38,39]. Отжиг исходных порошков в воздухе уменьшает число кислородных вакансий, в результате чего интенсивность ЗЛ падает, и в спектре преобладает КЛ (кривая 1, рис.…”

“…Время спада ЗЛ (кривая 1, рис. 4) совпадает по порядку величины с таковым для поликристаллического ZnO [34]. Более длительное излучение керамики ZnO-air (кривая 2, рис.…”

“…и кинетические[34] исследования ЗЛ поликристаллических образцов ZnO при различных температурах показали, что в процессе, кроме вакансий кислорода, задействованы межузельные атомы цинка (рис. 1, b).…”