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《南京理工大学》 2007年
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纳米ZnO复合薄膜制备与光学特性研究

史林兴  
【摘要】: ZnO是重要的Ⅱ-Ⅵ族半导体氧化物,属宽能隙直接带材料,因其激子结合能(60meV)比GaN(25 meV)、ZnSe(22 meV)高,能有效工作于室温(26 meV)及更高温度,而且光增益系数(300 cm~(-1))高于GaN(100 cm~(-1)),使得ZnO迅速成为短波长半导体激光器材料研究的国际热点,相关文献在Nature、Physical Review Letters、Applied Physics Letters等著名刊物上屡见不鲜,例如意大利著名教授Wiersma在Nature上对ZnO随机激光器做了专题评论,美国西北大学的H.Cao等在ZnO半导体粉末的荧光实验中观察到了随机激光辐射。 为了寻求低成本制备高质量ZnO薄膜的方法并进一步探讨其在光电子器件中的应用,本文用TiO_2及SiO_2作为缓冲层,利用电子束蒸发法制备了高质量的ZnO薄膜,成功地解决了ZnO薄膜与基底之间存在的晶格失配及热失配问题,并对其发光特性进行了研究。从理论上采用时域有限差分法(FDTD)分析了随机激光器中环形随机腔的谐振特性,并提出了适合随机激光系统的Maxwell-Bloch方程,研究了随机激光器的阈值及饱和模式数特性。研究发现,在石英玻璃基底上以TiO_2为缓冲层生长的ZnO薄膜,其晶体质量显著提高,实现了强的紫外光(UV)、强的紫光和弱的绿光的共发射;而在Si基底上同样采用TiO_2作为缓冲层则成功制备了非晶态的ZnO薄膜,实现了非晶ZnO薄膜的高质量发光,从而降低了制备工艺要求,节约了生产成本;以非晶SiO_2作为缓冲层,在Si基底上采用保温处理的方法制备了高质量的ZnO薄膜,观察到了稳定单一紫外发光的新现象,使得其在光电子器件,特别是在紫外发光器件及紫外激光器中存在广阔的应用前景;线偏振光在ZnO薄膜背散射方向存在退偏振行为,同时发现其存在最佳退偏振角,等于对应的有效布儒斯特角,为研究无序系统中的多散射行为提供了一定的参考;得到了随机激光器中环形随机腔的构成、形成条件以及模式特点,为随机激光器的设计提供了一定的理论基础;通过时域有限差分法对Maxwell-Bloch方程的求解,得到了随机激光器中光的局域模式和饱和模式数等,为随机激光器的振荡频谱分布研究提供了有价值的参考。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O484

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