Cu2 O纳米线激子精细结构光谱分析

Cu2 O纳米线激子精细结构光谱分析∗

王鹏;邓恒

【摘要】The properties of photoluminescence (PL) emission of single

Cu2O nanowire or Cu2O nanowires are investigated based on a micro-Raman spectroscopy.By analyzing the PL spectra of the nanowires carefully,the exciton fine structure of single Cu2O nanowire is obtained.The single Cu2O nanowire presents high-energy ex-citon emission line and its phonon-assisted optical transition lines.%基于显微拉曼光谱仪研究比较单根与多根Cu2 O纳米线荧光光谱特性，通过详细分析显微荧光谱线信息，研究制备得到的Cu2 O纳米线的精细结构。单根Cu2 O纳米线表现出高能激子发射及其高阶声子辅助的光学跃迁谱线。

【期刊名称】《大学物理实验》

【年(卷),期】2016(029)003

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】Cu2O纳米线;微区荧光光谱;激子精细结构

【作者】王鹏;邓恒

【作者单位】兰州大学，甘肃兰州 730000;兰州大学，甘肃兰州 730000

【正文语种】中文

【中图分类】O433.4;O433.3

*通讯联系人

Cu2O作为一种天然的p型半导体材料，其具有其它半导体无法比拟的大激子束

缚能(150 meV)，因而成为一种很好的光催化和光电材料[1-6]，由文献报道可知，Cu2O的激子一般可以划分为四个激子系[7]，即yellow,green,blue,violet四个系，其中yellow和green两个系的激子由于是偶极子跃迁禁止的，所以一般情况下对于大尺寸的Cu2O其yellow和green的激子发射是处于暗态的，其对应的发射

峰也不能测得[8]。Blue和violet两系的激子是偶极子跃迁允许的[3]，但如果

Cu2O的尺寸减小到一维尺度下时，其yellow 和green两系的激子的跃迁禁止规律有可能被打破，在低温测试环境下，能够得到其对应的光致发光峰。本文中制备了一种表面粗糙的Cu2O纳米线，在显微拉曼光谱仪下测试了其发光光谱，通过

其室温下的发光光谱，可以获得一维Cu2O纳米线发光激子来源于green系和violet系激子，同时存在相关激子的声子伴线，本文中制备的低维度Cu2O纳米

线具有新的激子特性，其原来由于偶极子禁止跃迁的green系激子在低维度尺度

下时光学跃迁变为允许状态[13]。

首先，利用两步制备方法得到Cu2O纳米线，具体制备过程如下：先将25 mL，0.125 M的(NH4)2S2O8与25 mL，2.5 M的NaOH在室温下混合搅拌，然后将一个清洗好的铜箔放入刚才的混合液中。约30分钟后，铜箔的表面生长出了

Cu(OH)2纳米线；第二步，将生长出的Cu(OH)2纳米线取出后放入真空管式炉

中在500 ℃和750 ℃下加热共计1小时，最终得到Cu2O纳米线[9]。

然后，测试其显微荧光谱要将Cu2O纳米线样品固定于石英玻璃衬底上，显微物

镜将325 nm波长激光聚焦至样品表面，激发样品产生的发射光可由显微物镜收

集进入荧光光谱光路。

图1a 给出了制备得到的Cu2O纳米线在扫描电子显微镜下拍摄的表面形貌图，从图中可以看到，Cu2O纳米线的表面有一些不光滑，形成一些起伏的表面，对图中

纳米线的直径的分布做了初步的统计，其分布图如图1b所示，从此分布图中可以获知，Cu2O纳米线的直径的范围主要分布在90～190 nm区间内。同时，我们选取了一根有代表性的Cu2O纳米线，如图1c所示。这根Cu2O纳米线具有与图1a中所有Cu2O纳米线样品类似的表面形貌，其平均直径有135 nm。

为了能表明单根纳米线样品的光学特性，实验中我们用显微拉曼光谱仪测试了多根与单根纳米线的光致发光(荧光)特性，如图2所示。图2a给出了具有代表性的多根Cu2O纳米线样品的显微荧光光谱，从图中的谱线可以看到，从412 nm附近至650 nm左右，共出现了四个较为明显的PL峰。在412和434 nm处出现了两个彼此相邻的弱峰，这两个弱峰能量分别为3.02和2.86 eV，根据以前的报道[10]，3.02 eV来自于Ep激子峰的二阶声子伴线，而2.86 eV的发光峰接近于同一激子峰的高阶声子伴线。在图中四个峰最为明显的是位于519 nm(2.39 eV)处的发光峰EGreen，这个发光峰来源于Cu2O的Green系激子的光谱线。而在长波长630 nm附近处出现的一个较小的光谱峰由我们之前的报道可以知道是来自于有声子参与的Green系激子发射谱线。

为了完整呈现Ep激子的零声子线及其高阶声子伴线，单根Cu2O纳米线的显微荧光光谱如图2b所示，在图2b的谱线中最左边位于3.16 eV(394 nm)处可以看到一个微弱的发光光谱线，这一谱线根据已有的报道[10]来自于较弱的带间跃迁高能峰Ep的零声子线,而这一发光峰的出现补充了多根Cu2O纳米线显微荧光光谱中只出现Ep峰高阶声子伴线的缺憾，图中还可以看到在Ep峰的低能边有两个更为明显的光谱线，这两条光谱线的位置与图2a中能量为3.02和2.86 eV的光谱线一致，这两条谱线与已有的报道关于这两处位置的光谱线能量接近，且这两条谱线都是来自于Ep峰的2阶和4阶声子伴线。

下面我们用理论计算的方法计算能量为3.02和2.86 eV的光谱线是否为Ep激子的高阶声子伴线。首先根据相关研究报道，Cu2O纳米线的纵向光学声子的能量为