一种探测缺陷态的新方法—磷光效应
【香港大学徐士杰教授研究团队】

       缺陷和掺杂是半导体材料研究的核心问题之一, 对半导体材料的诸多性质具有决定性的影响。ZnO是具有代表性的宽禁带半导体材料之一,因为在光电子器件、光催化、能量转换等多种领域具有重要的潜在应用而长期备受关注,吸引了众多人员和机构从事相关研究。但是,关于ZnO中的缺陷和杂质至今没有得到充分的认识,目前仍不能制备出有效的p型ZnO,即使是高质量的ZnO单晶也表现出n型导电性。这种缺陷和杂质的复杂性,在很大程度上限制了ZnO的应用。

       香港大学物理系徐士杰教授研究团队首次发现,在一定条件下ZnO单晶可以表现出长寿命磷光现象,并基于此进一步推算出了相关缺陷能级的深度。该成果提供了一种研究半导体材料缺陷态的新方法。在低温条件下,他们采用能量小于带隙值的光子激发样品,激发停止后ZnO的绿光、黄光、红光等缺陷发光表现出长达十多分钟的长余辉现象,且光强呈现非单指数衰减规律和非单调的温度依赖性。通过对相关过程物理机制的深入分析,他们认为此现象与浅施主能级对激发态电子的束缚有重要关系。但不同于传统磷光理论的是,除了束缚态电子以外导带自由电子此时也对长余辉磷光现象有重要贡献。最后还给出了该模型的定量化公式,可以进一步得到相关缺陷能级的深度。这是对传统磷光理论的重要补充和完善,不仅解释了ZnO中观察到的现象,还在GaN等其它材料中得到了验证,具有普适性。该模型有望成为一种研究半导体材料浅能级缺陷的新方法。


(a), (b) 在385nm光激发后ZnO样品可见发光在不同温度下的衰减曲线; (c),  (d) 50 K和150 K温度下的时间分辨光谱

研究团队简介
        香港大学徐士杰教授长期进行半导体光物理以及半导体光电子器件物理的研究工作,在GaN、ZnO以及半导体自组装量子点方面做出了多项有重要影响的研究工作。已发表150余篇SCI论文,其中10余篇论文单篇引用次数超过百次,迄今论文SCI总引用次数超过4200次(至2018年7月),个人H指数31。在ACUP、31st ICIMM、14th SIMC等多个重要国际和国内学术会议担任顾问委员会、程序委员会委员和分会主席,做邀请报告20余次。主持完成多项香港研资局研究基金以及两项港大发展基金重大科学仪器建设项目,创建并主持港大物理系激光光谱实验室。2010年获国家自然科学基金海外及港澳学者合作基金(即海外杰青)项目。

相关论文 
Ye H G, Su Z C, Tang F, Bao Y T, Lao X Z et al. Probing defects in ZnO by persistent phosphorescence. Opto-Electronic Advances 1, 180011 (2018). 
DOI: 10.29026/oea.2018.180011