我們測量 Zn1-xGdxO 薄膜在不同溫度的 PL 光譜，以了解其發光特性，檢測 的溫度範圍是 20 ~ 300K，光源為 He-Cd 雷射的 325 nm 紫外光。
圖 4-10、圖 4-11 分別為鍍膜氧壓 3×10-1、8×10-2mbar 製備的氧化釓鋅薄膜，
其各 Gd 比例室溫 PL 與其 Lorentz 函數擬合結果，圖 4-12、圖 4-13 分別為鍍膜 氧壓 3×10-1、8×10-2mbar 製備的氧化釓鋅薄膜，其各 Gd 比例低溫 PL 與其 Lorentz 函數擬合結果。可以發現所有薄膜不論是室溫還是低溫 PL 的結果，其薄膜在摻 雜 Gd 之後的 PL 整體發光強度會下降，隨著 Gd 比例的上升發光強度會跟著上 升。
在兩個鍍膜氧壓下，不論是室溫或低溫 PL，薄膜最高發光強度的位置皆隨 著 Gd 濃度的上升而有藍移的現象。在 3×10-1mbar 的條件下，摻雜前後的光譜形 狀明顯不同，純氧化鋅薄膜在 2.45eV 與 3.27eV 的位置有明顯的發光訊號，氧化 釓鋅薄膜在 2.65eV 與 3.18eV 的位置有明顯較寬的發光訊號。在 8×10-2mbar 的條 件下，純氧化鋅與氧化釓鋅薄膜的光譜形狀大致上相似，皆在 2.65eV 與 3.18eV 的位置有明顯較寬的發光訊號。
圖 4-10 鍍膜氧壓 3×10-1mbar, Zn1-xGdxO 薄膜室溫 PL 結果。
(a)各 Gd 比例 (b)~(g)各 Gd 比例 Lorentz 擬合結果。
Intensity (a.u.)
(a)P=3×10-1(mbar) 20%
fitting line spectrum
fitting line spectrum
fitting line spectrum
fitting line spectrum Zni→VZn Ec→VZn NBE1 NBE2
Photon Energy (eV)
Intensity (a.u.)
(e) Gd = 15%
fitting line spectrum
Photon Energy (eV)
(f) Gd = 20%
fitting line spectrum Zni→VZn Ec→VZn NBE2
Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)
fitting line spectrum
fitting line spectrum
Photon Energy (eV)
(d) Gd = 5%
fitting line spectrum
fitting line spectrum
fitting line spectrum
fitting line spectrum
Photon Energy (eV)
圖 4-12 鍍膜氧壓 3×10-1mbar, Zn1-xGdxO 薄膜低溫 PL 結果。
(a)各 Gd 比例 (b)~(g)各 Gd 比例 Lorentz 擬合結果。
(b) Gd = 0%
fitting line spectrum
fitting line spectrum Zni→VZn Ec→VZn NBE1 NBE2
Photon Energy (eV)
Intensity (a.u.)
(e) Gd = 10%
fitting line spectrum
fitting line spectrum Zni→VZn Ec→VZn NBE1 NBE2
Photon Energy (eV)
Intensity (a.u.)
(f) Gd = 15%
fitting line spectrum
fitting line spectrum
(a) P = 8×10-2(mbar)
fitting line spectrum
fitting line spectrum
fitting line spectrum
Photon Energy (eV)
Intensity (a. u. )
(e) Gd = 10%
fitting line spectrum
fitting line spectrum
fitting line spectrum
Photon Energy (eV)
Intensity (a. u. )
Zn1-xGdxO 薄膜 PL 光譜的 Lorentz 函數擬合結果顯示各個發光的峰值位置對 Gd 比例關係圖如圖 4-14、圖 4-15。在室溫 PL 中，鍍膜氧壓 3×10-1mbar 的純氧 化鋅薄膜有四個發光峰，位置分別大約為 2.45、3.19、3.25、3.30eV，對應到的 發光來源依序為導帶到氧空缺(Ec→VO)、NBE1、NBE2、自由激子發光(free exciton emission, FX)，其中 NBE 為近帶發光(near band edge)；不同 Gd 比例的氧化釓鋅 薄膜有四個發光峰，位置分別大約為 2.58、3.00、3.15、3.25eV，對應到的發光 來源依序為鋅間隙到鋅空缺(Zni→VZn)、導帶到鋅空缺(Ec→VZn)、NBE1、NBE2。 鍍膜氧壓 8×10-2mbar 的純氧化鋅與氧化釓鋅薄膜有四個發光峰，位置分別大約 為 2.68、3.00、3.15、3.24eV，對應到的發光來源依序為 Zni→VZn、Ec→VZn、NBE1、 NBE2。在低溫 PL 中，鍍膜氧壓 3×10-1mbar 與 8×10-2mbar 的純氧化鋅薄膜有五 個發光峰，位置分別大約為 2.25、3.08、3.20、3.31、3.35eV，對應到的發光來 源依序為 Ec→VO、Ec→VZn、NBE1、NBE2、自由激子發光；不同 Gd 比例的氧 化釓鋅薄膜有五個發光峰，位置分別大約為 2.61、3.00、3.16、3.25、3.31eV，
對應到的發光來源依序為 Zni→VZn、Ec→VZn、NBE1、NBE2、自由激子發光。
NBE1可能為導帶到 1 價正電氧空缺(Ec→VO+)的發光；NBE2可能為…的發光。
在室溫與低溫 PL、3×10-1mbar 薄膜的結果中，隨著 Gd 比例上升，Zni→VZn
的發光有些微藍移現象，到了 Gd 比例 10 at.%以上其位置大致不變，Ec→VZn的 發光與 NBE1的發光有些微紅移，NBE2的位置有較大的藍移現象(3.25→3.32eV)。
在室溫與低溫 PL、8×10-2mbar 薄膜的結果中，隨著 Gd 比例上升，Zni→VZn的發 光有先藍移再紅移的現象，到了 Gd 比例 10 at.%以上其位置大致不變，Ec→VZn
的發光有些微紅移，NBE1與 NBE2皆有藍移現象，且 NBE2的位置在室溫與低溫 PL 的結果中分別有 3.23→3.47eV 與 3.31→3.45eV 的較大藍移現象。
由分析結果推測，隨著 Gd 比例上升，光譜中的發光藍移現象主要是來自於 NBE2的峰值位置藍移，且鍍膜氧壓 8×10-2mbar 薄膜的藍移現象比 3×10-1mbar 薄 膜還要明顯。由發光的來源可知 Zn1-xGdxO 薄膜結構中存在鋅間隙(Zni)、鋅空缺 (VZn)與氧空缺(VO)的缺陷[33]
圖 4-14 室溫 PL 各擬合峰值發光位置與 Gd 濃度關係圖。
Peak positi on(eV)
Gd concentration(at.%)
Peak positi on(eV)
Gd concentration(at.%)