Abstract

A zinc interstitial defect present but unobservable in ZnO thin films annealed at 500 °C in oxygen or in atmosphere was selectively detected by interaction of the film with an Ag surface-plasmon polariton. The time-dependent differential reflectivity of the ZnO near the ZnO/MgO interface exhibited a subpicosecond decay followed by a several nanosecond recovery, consistent with the Purcell-enhanced Zn interstitial luminescence seen in Ag–ZnO heterostructures. Heterostructures annealed at other temperatures showed significantly greater band-edge photoluminescence and no evidence of the Zn interstitial defect.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
    [CrossRef]
  2. K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
    [CrossRef]
  3. S. B. Zhang, S.-H. Wei, A. Zunger, Phys. Rev. B 63, 075205 (2001).
    [CrossRef]
  4. S. A. Studenikin, N. Golego, M. Cocivera, J. Appl. Phys. 84, 2287 (1998).
    [CrossRef]
  5. B. X. Lin, Z. X. Fu, Y. B. Jia, Appl. Phys. Lett. 79, 943 (2001).
    [CrossRef]
  6. C. W. Lai, J. An, H. C. Ong, Appl. Phys. Lett. 86, 251105 (2005).
    [CrossRef]
  7. B. J. Lawrie, R. F. Haglund, R. Mu, Opt. Express 17, 2565 (2009).
    [CrossRef]
  8. H. Y. Lin, C. L. Cheng, Y. Y. Chou, L. L. Huang, Y. F. Chen, K. T. Tsen, Opt. Express 14, 2372 (2006).
    [CrossRef]
  9. M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
    [CrossRef]
  10. B. J. Lawrie, R. Mu, R. F. Haglund, Phys. Status Solidi C 8, 159 (2011).
    [CrossRef]
  11. H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
    [CrossRef]
  12. H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
    [CrossRef]
  13. A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
    [CrossRef]
  14. C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
    [CrossRef]
  15. Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
    [CrossRef]

2011

B. J. Lawrie, R. Mu, R. F. Haglund, Phys. Status Solidi C 8, 159 (2011).
[CrossRef]

2010

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

2009

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
[CrossRef]

B. J. Lawrie, R. F. Haglund, R. Mu, Opt. Express 17, 2565 (2009).
[CrossRef]

2008

M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
[CrossRef]

2006

2005

C. W. Lai, J. An, H. C. Ong, Appl. Phys. Lett. 86, 251105 (2005).
[CrossRef]

2004

C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
[CrossRef]

2001

B. X. Lin, Z. X. Fu, Y. B. Jia, Appl. Phys. Lett. 79, 943 (2001).
[CrossRef]

S. B. Zhang, S.-H. Wei, A. Zunger, Phys. Rev. B 63, 075205 (2001).
[CrossRef]

1999

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

1998

S. A. Studenikin, N. Golego, M. Cocivera, J. Appl. Phys. 84, 2287 (1998).
[CrossRef]

1996

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

An, J.

C. W. Lai, J. An, H. C. Ong, Appl. Phys. Lett. 86, 251105 (2005).
[CrossRef]

Bauer, C.

C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
[CrossRef]

Boschloo, G.

C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
[CrossRef]

Cai, W. P.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Chen, Y.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

Chen, Y. F.

Cheng, C. L.

Chou, Y. Y.

Cocivera, M.

S. A. Studenikin, N. Golego, M. Cocivera, J. Appl. Phys. 84, 2287 (1998).
[CrossRef]

Duan, G. T.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Fallert, J.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Feng, S. W.

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Fu, Z. X.

B. X. Lin, Z. X. Fu, Y. B. Jia, Appl. Phys. Lett. 79, 943 (2001).
[CrossRef]

Gnade, B. E.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

Golego, N.

S. A. Studenikin, N. Golego, M. Cocivera, J. Appl. Phys. 84, 2287 (1998).
[CrossRef]

Goto, Y. F.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

Hagfeldt, A.

C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
[CrossRef]

Haglund, R. F.

B. J. Lawrie, R. Mu, R. F. Haglund, Phys. Status Solidi C 8, 159 (2011).
[CrossRef]

B. J. Lawrie, R. F. Haglund, R. Mu, Opt. Express 17, 2565 (2009).
[CrossRef]

Huang, L. L.

Jia, Y. B.

B. X. Lin, Z. X. Fu, Y. B. Jia, Appl. Phys. Lett. 79, 943 (2001).
[CrossRef]

Kalt, H.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Kasuya, A.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

Kido, T.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

Kim, T. G.

M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
[CrossRef]

Kim, W.

M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
[CrossRef]

Klingshirn, C.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Lai, C. W.

C. W. Lai, J. An, H. C. Ong, Appl. Phys. Lett. 86, 251105 (2005).
[CrossRef]

Lawrie, B. J.

B. J. Lawrie, R. Mu, R. F. Haglund, Phys. Status Solidi C 8, 159 (2011).
[CrossRef]

B. J. Lawrie, R. F. Haglund, R. Mu, Opt. Express 17, 2565 (2009).
[CrossRef]

Lee, J. Y.

Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
[CrossRef]

Lee, M. K.

M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
[CrossRef]

Li, Y.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Liang, J.

Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
[CrossRef]

Lin, B. X.

B. X. Lin, Z. X. Fu, Y. B. Jia, Appl. Phys. Lett. 79, 943 (2001).
[CrossRef]

Lin, H. Y.

Maier-Flaig, F.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Mu, R.

B. J. Lawrie, R. Mu, R. F. Haglund, Phys. Status Solidi C 8, 159 (2011).
[CrossRef]

B. J. Lawrie, R. F. Haglund, R. Mu, Opt. Express 17, 2565 (2009).
[CrossRef]

Mukhtar, E.

C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
[CrossRef]

Ong, H. C.

C. W. Lai, J. An, H. C. Ong, Appl. Phys. Lett. 86, 251105 (2005).
[CrossRef]

Sartor, J.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Schneider, D.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Seager, C. H.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

Segawa, Y.

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Studenikin, S. A.

S. A. Studenikin, N. Golego, M. Cocivera, J. Appl. Phys. 84, 2287 (1998).
[CrossRef]

Sung, Y. M.

M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
[CrossRef]

Tallant, D. R.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

Thiele, C.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Tsen, K. T.

Vanheusden, K.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

Voigt, J. A.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

Wang, H. C.

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Warren, W. L.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

Wei, S.-H.

S. B. Zhang, S.-H. Wei, A. Zunger, Phys. Rev. B 63, 075205 (2001).
[CrossRef]

Xie, J.

Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
[CrossRef]

Xu, X. X.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Yamamoto, A.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

Yang, C. C.

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Yang, S. K.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Yao, T.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

Zeng, H. B.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Zhang, B. P.

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Zhang, Q.

Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
[CrossRef]

Zhang, S. B.

S. B. Zhang, S.-H. Wei, A. Zunger, Phys. Rev. B 63, 075205 (2001).
[CrossRef]

Zhou, H.

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Zunger, A.

S. B. Zhang, S.-H. Wei, A. Zunger, Phys. Rev. B 63, 075205 (2001).
[CrossRef]

Adv. Funct. Mater.

H. B. Zeng, G. T. Duan, Y. Li, S. K. Yang, X. X. Xu, W. P. Cai, Adv. Funct. Mater. 20, 561 (2010).
[CrossRef]

Q. Zhang, J. Xie, J. Liang, J. Y. Lee, Adv. Funct. Mater. 19, 1387 (2009).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

A. Yamamoto, T. Kido, Y. F. Goto, Y. Chen, T. Yao, A. Kasuya, Appl. Phys. Lett. 75, 469 (1999).
[CrossRef]

B. X. Lin, Z. X. Fu, Y. B. Jia, Appl. Phys. Lett. 79, 943 (2001).
[CrossRef]

C. W. Lai, J. An, H. C. Ong, Appl. Phys. Lett. 86, 251105 (2005).
[CrossRef]

Chem. Phys. Lett.

C. Bauer, G. Boschloo, E. Mukhtar, A. Hagfeldt, Chem. Phys. Lett. 387, 176 (2004).
[CrossRef]

J. Appl. Phys.

K. Vanheusden, W. L. Warren, C. H. Seager, D. R. Tallant, J. A. Voigt, B. E. Gnade, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996).
[CrossRef]

S. A. Studenikin, N. Golego, M. Cocivera, J. Appl. Phys. 84, 2287 (1998).
[CrossRef]

J. Phys. Chem. C

M. K. Lee, T. G. Kim, W. Kim, Y. M. Sung, J. Phys. Chem. C 112, 10079 (2008).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys.

H. C. Wang, C. C. Yang, S. W. Feng, B. P. Zhang, Y. Segawa, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022402 (2009).
[CrossRef]

Opt. Express

Phys. Rev. B

S. B. Zhang, S.-H. Wei, A. Zunger, Phys. Rev. B 63, 075205 (2001).
[CrossRef]

Phys. Status Solidi B

C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F. Maier-Flaig, D. Schneider, H. Kalt, Phys. Status Solidi B 247, 1424 (2010).
[CrossRef]

Phys. Status Solidi C

B. J. Lawrie, R. Mu, R. F. Haglund, Phys. Status Solidi C 8, 159 (2011).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1.
Fig. 1.

Normalized PL spectra for ZnO annealed in 1.6 × 10 7 m 3 / s O 2 at 400 °C to 800 °C (a) without and (b) with a 30 nm Ag thin film, (c) the band-edge enhancement factor as a function of annealing temperature, and (d) the PL spectra for the sample annealed at 500 °C with and without a Ag film.

Fig. 2.
Fig. 2.

Pump–probe spectra in reflection and transmission for ZnO/MgO bilayers annealed in air at 500 °C in a (a) backward and (b) forward configuration, and the PL spectra taken in a backward configuration (c) over the full spectrum and (d) near the Zn i defect band. The inset of (a) shows the differential reflectivity of an unannealed ZnO thin film.

Metrics