ZnO量子点中激子的基态特性及表面修饰对光学性质的影响

【摘要】：ZnO 是一种新型宽禁带直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,室温激子束缚能高达60meV,远大于室温热离化能(26meV),因此ZnO 是适于室温或更高温度下使用的高效紫外材料。ZnO 半导体量子点材料与体材料相比具有崭新的光电特性,特别在紫外激光器件方面具有极其广泛的应用前景与应用价值,其光电特性与ZnO 的激子特性密切相关,同时由于ZnO 量子点(纳米晶)具有较大的体表比,其表面会存在大量缺陷和悬键。因此,对ZnO 量子点中激子的基态特性及对ZnO量子点的掺杂、修饰后的光电特性进行研究,对ZnO 量子点的理论研究与器件实际应用方面都具有重要意义。 本论文研究了ZnO 量子点中激子的基态特性,非晶ZnO 向纳米晶ZnO 转化过程,对Mn 掺杂、修饰的纳米晶ZnO 的光学及磁学特性及C 掺杂的纳米晶ZnO 的光学特性进行了研究。取得了如下结果: 1、提出了新的试探波函数,并用变分法研究了ZnO 量子点中激子的基态特性。计算结果表明,激子的基态能随着粒径的减小而迅速增大,当粒径减小至ZnO 的激子玻尔半径时,其基态能高出体相ZnO 禁带宽度488meV,约为ZnO自由激子结合能的8 倍,而当粒径较大时,其基态能比ZnO 导带底低65meV,与ZnO 自由激子的结合能基本一致。将计算结果与相关实验结果和Y.Kayanuma的计算结果进行了比较,发现无论与实验结果还是与Y.Kayanuma 的计算结果都吻合得很好,说明选取的试探波函数简单有效,可以应用于其它半导体量子点材料中。同时,ZnO 量子点中激子的波函数,随量子点半径的减小变化越来越剧烈,说明量子点所处的环境、量子点表面及掺杂会对ZnO 量子点中的激子产生很大的影响,因此对量子点表面进行修饰及有效的掺杂是必要的。该理论计算结果与实验结果基本一致,该方法可以用于其他种类量子点基态特性的研究。 2、对非晶ZnO 向纳米晶ZnO 的转化过程进行了详细的研究。结果表明非晶ZnO 对纳米晶ZnO 的表面进行了有效的修饰,并形成三维受限量子结构,提高了纳米晶ZnO 的发光效率,同时观测到新的可见发光谱带,并归结为纳米晶ZnO的界面发光,其发光强度与非晶ZnO 对纳米晶ZnO 表面的作用相关。将实验结果与理论计算进行了比较,结果表明,当粒径较大时,计算结果与实验结果吻合得较好,当粒径较小时,与实验结果有一定的偏差,并对其原因进行了分析。用电泳法制备了高质量的非晶ZnO、纳米晶ZnO 薄膜,室温下观测到了较强的紫外发射,该方法在材料研究方面将有广阔的应用前景。 3、制备了Mn 掺杂、修饰的纳米晶ZnO,并研究了其光学、磁学特性。结果表明Mn 掺杂的纳米晶ZnO 具有较好的发光特性,只有紫外发射,没有可见发射,研究表明,制备样品具有ZnMn 低O/ZnMn 高O 核壳结构,由于ZnMn 高O壳层钝化了ZnMn 高O 核表面,具有较好的修饰作用,提高了载流子的注入水平,并表现出量子尺寸效应。由于Mn 掺杂的ZnO 在稀磁半导体中具有潜在的应用