GaN（0001）上的Ag纳米结构：薄膜固态脱蜡控制的形貌演变及其光学性质 *
1. 概述
银（Ag）纳米结构由于其优异的表面等离子体共振特性，已经证明了在各种光电子、催化、生物医学和传感器设备中使用的可行性。纳米结构的几何结构、间距和空间排列对于控制性能和器件性能至关重要。在此，研究人员展示了通过系统控制沉积厚度和退火持续时间，在GaN（0001）上制备各种自组装Ag纳米结构的配置。深入研究了表面形貌的演变，并探讨了其对光学性能的影响。基于薄膜的脱湿、Volmer–Weber生长模型、聚结生长和表面能最小化机制，描述了Ag纳米结构对热退火的响应演化。对于在1和100nm之间的沉积量变化，Ag纳米结构显示出逐渐的形态转变，例如小纳米颗粒（NP）到在1和7nm之间的增大的纳米颗粒，细长的纳米结构到在10和30nm之间的簇网络，以及具有在40和100nm之间的层状纳米结构的空隙演变。此外，已经研究了0到3600秒之间的退火持续时间效应，其中Ag纳米结构表现出网状、细长和孤立的不规则形状的演变，这归因于Ostwald的熟化和Ag的升华。此外，相应的拉曼光谱、光致发光光谱和反射光谱揭示了形态相关的行为，并基于声子、发射带、散射、吸收和表面等离子体效应进行了讨论。
2. 样品制备
采用在650μm厚的蓝宝石上外延生长n型5um厚GaN外延层，离轴±0.1°（来自中芯晶研），进行实验。将GaN（0001）晶片切成大小相同的正方形，并在脉冲激光沉积（PLD）系统中在1×10−4 Torr下于350°C下脱气30分钟。脱气后，通过原子力显微镜（AFM）扫描研究衬底的表面形态，如图1a所示。在0.2nm的范围内获得了具有GaN表面自然原子台阶的光滑表面形态，如截面线轮廓所示。此外，图1中的特征反射率、拉曼光谱和PL光谱证实了衬底的GaN蓝宝石配置。
图1（a）脱气后尺寸为3×3μm的GaN（0001）的表面形态；（b） 参考（a）中AFM俯视图中绘制的线的横截面线轮廓；裸GaN（0001）的光学特性：（C）平均值为19.15%的反射光谱，（d）显示如图所示的三种声子模式的拉曼光谱，以及（e）363.44nm的PL光谱发射带;光学测量是在室温下用532和266nm激光器测量的，如（d）和（e）中所标记的
在通过脱气清洁衬底之后，通过沉积Ag薄膜并随后在远低于熔融温度的温度下退火来开始Ag纳米结构的制造。首先，通过在1×10−1 Torr下以0.1 nm s−1的生长速率和5 mA的电离在等离子体离子涂布机中溅射在衬底上沉积Ag薄膜。对于沉积量变化系列，制备具有在1和100nm之间的各种沉积量的样品。此外，为0和3600 s之间的退火持续时间变化系列制备了固定的30 nm厚度Ag薄膜。样品在PLD室中于550°C、1×10−4 Torr下进行系统退火。目标温度通过4°C s−1的恒定增长率实现，并分配了特定的停留时间，即沉积量变化系列为60 s，停留时间变化系列为0至3600 s。在预定温度和持续时间（即550°C，0至3600 s）下退火后，立即将系统温度骤冷至环境温度。使用该系列中所有样品的基于计算机的配方程序，严格保持特定生长参数和程序不变，以保持一致性。
通过AFM在轻敲模式下进行所制备的Ag纳米结构的表面形态表征。驱动频率为～270 kHz的NSC16/AIBS尖端用于所有样本，通过使用XEP程序进行计算机控制。数据准备是通过使用XEI程序处理俯视图、3D侧视图、截面线轮廓和傅立叶滤波器变换（FFT）功率谱方面的扫描数据来进行的。通过扫描电子显微镜（SEM）研究了大规模形态。元素分析是通过使用能量色散X射线分光镜（EDS）的光谱和图谱进行的。对于光学特性，使用分光光度计记录拉曼、光致发光（PL）和反射光谱。具体地，使用532nm激光器用于拉曼，266nm激光器用于PL，以及用于反射率测量的氘（UV区域）和卤素（VIS和NIR）组合光源。所有的光学表征都是在环境条件下的暗室中进行。
3. 结论
总之，通过在恒定温度下系统地改变沉积量和退火持续时间，在GaN（0001）上成功地制备了各种形状、尺寸和密度的Ag纳米结构。具体而言，沉积量在550°C下从1到100 nm的范围内变化60 s，导致小的致密纳米颗粒、大的孤立纳米颗粒、细长的不规则纳米结构和Ag层上的空穴穿孔逐渐演变。从薄膜的热扩散、三维生长（Volmer−Weber生长）、表面能最小化和聚结机制等方面对结果进行了系统的分析和讨论。此外，在550°C的固定温度和30nm的沉积量下的退火持续时间变化表明，Ag纳米结构从空穴穿孔的Ag层演变为纳米团簇网络，最后是基于Ostwald熟化和Ag升华的分离的不规则纳米结构。
在这两种情况下，通过拉曼光谱、PL光谱和反射光谱相应地探测了形态相关的光学特性。Ag纳米结构的平均表面覆盖率、尺寸和密度证明了对光学性质的直接影响，使得拉曼和PL强度与平均表面覆盖度成反比，并且反射峰随着尺寸的增加而红移。此外，宽间隔的Ag纳米颗粒显著降低了反射率。可能需要进一步的表征，包括透射光谱和吸收光谱，以揭示吸收和散射的选择性光谱响应。此外，可以在未来的工作中研究电学性质、结晶度、应力、光学输出功率和其他相关性质。最后，这项工作为在具有可调物理性质的GaN（0001）上制备Ag纳米结构提供了基础，并可应用于等离子体和光电子应用。
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