Caracterização ótica de nanofios de A1N implantados com európio

Abstract

Os nitretos do grupo-III dopados com iões de terras raras (TR) apresentam propriedades luminescentes promissoras para aplicações na área da optoelectrónica, nomeadamente em dispositivos emissores de luz. O ião európio, no estado de carga trivalente, é conhecido pelas transições eletrónicas intra-4f 6 na região espetral do laranja/vermelho. Este surge como potencial candidato para as diversas aplicações nesta zona do espetro visível. Nesta dissertação são estudadas as propriedades óticas de nanofios de AlN implantadas com iões Eu3+. Os nanofios foram crescidos por epitaxia de feixe molecular (MBE). A dopagem foi realizada por implantação iónica, sendo feito um tratamento térmico posterior para permitir a ativação ótica dos iões e para remover danos estruturais provocados pelo processo balístico. De forma a avaliar a influência da temperatura do tratamento térmico, este foi realizado a diferentes temperaturas (1000 °C e 1200 °C). O estudo de camadas de AlN implantados e tratados termicamente, nas mesmas condições dos nanofios, é também, realizado para comparação. A ativação ótica dos iões Eu3+ foi conseguida após a implantação e o tratamento térmico, independentemente da temperatura e da estrutura (nanofios e camadas). A transição D0 → F2 7 5 é a mais intensa em todas as amostras. Foram identificados múltiplos centros óticos de Eu3+ nos nanofios de AlN cuja dominância depende da temperatura de tratamento térmico. Na gama espetral analisada, os centros dominantes exibem mecanismos de excitação idênticos abaixo do hiato do AlN. A análise da dependência da intensidade da luminescência intra-4f 6 em função da temperatura (14 K até à temperatura ambiente) evidenciou diferentes comportamentos para o caso dos nanofios. No caso da amostra recozida a temperatura mais baixa ocorre uma diminuição gradual da intensidade de emissão sendo que à temperatura ambiente se observa 50% da intensidade medida a 14 K. Para a amostra tratada termicamente a 1200 °C observa-se uma extinção da intensidade da luminescência a baixas temperaturas (até 120 K), aumentando para temperaturas mais altas como resultado de um povoamento térmico. Para este caso, a intensidade da emissão registada à temperatura ambiente é cerca de 80% do valor registado a 14 K. Complementarmente, o estudo das propriedades estruturais dos nanofios revela a existência de diferentes estados de tensão provocados pela implantação iónica e pelo tratamento térmico posterior. Embora preliminar, o trabalho realizado apresenta-se promissor para potenciar o desenvolvimento de nanoemissores no vermelho baseados nestas estruturas

Group-III nitrides doped with rare-earth (RE) ions present promising luminescent properties for optoelectronic applications, for example in light emitting devices. In the trivalent charge state, europium is known to have its well-defined intra-4f 6 emissions in the orange/red spectral regions. Therefore, it is considered as a potential candidate for optoelectronic devices operating in this region of the visible spectrum. This thesis is focused on the study of AlN nanowires implanted with Eu3+ ions, more specifically on their optical properties. The AlN nanowires were grown by molecular beam epitaxy (MBE). The doping of the Eu3+ ions in AlN was achieved by ion implantation. The as-implanted AlN nanowires were further submitted to thermal annealing (at two different temperatures, 1000 °C and 1200 °C) in order to achieve Eu3+ optical activation and to remove structural damages induced by ion implantation. AlN layers, implanted and thermally treated under the same conditions as the AlN nanowires, were also studied for comparison. It was found that optical activation was achieved after implantation and thermal annealing (regardless of treatment temperature) for nanowires and layers. In addition, the most intense transition related with Eu3+ ion in all the samples is found to be D0 → F2 7 5 . Several Eu3+ centres were identified in the nanowires, which dominance depends on the treatment temperature. In the analysed spectral range, the dominant Eu3+ optical centres exhibit the same excitation mechanisms. The temperature dependence (from 14 K to room temperature) analysis of the intra-4f 6 luminescence intensity has evidenced different behaviours for the nanowires. In the case of the sample annealed at the lowest temperature (1000 °C), a decrease of the emission intensity is seen, for which 50% of the average intensity at 14 K is still observed at room temperature. For the sample annealed at 1200 °C, the emission intensity vanishes for low temperatures up to 120 K, then increasing at higher temperatures as a result of thermal population. For this case, the emission intensity recorded at room temperature is about 80% of the average intensity at 14 K. Furthermore, the study of the structural properties of nanowires reveals the existence of different strain states upon ion implantation and post-implantation thermal annealing. Although the work presented in this thesis is preliminary, the obtained results are very promising for potential development of red nano-emitters based on such structures.