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硅基纳米发光材料

徐少辉  
【摘要】: 本论文的主要工作是把光子晶体概念引入多孔硅材料研究中,提出通过制 备多孔硅光子晶体结构实现光局域,以实现多孔硅光放大。在此基础上,我们 主要研究了多孔硅微腔及多孔硅光子量子阱结构两个主要方面的问题,并开展 了多孔硅二维光子晶体的初步研究,为以后多孔硅光放大工作的展开打下了基 础。 我们系统地从实验和理论两个方面对多孔硅微腔结构进行了研究,对 多孔硅微腔结构的制备和特性得到了一些有意义的结果。 1. 基于电化学脉冲腐蚀方法,用正交实验法给出了制备多孔硅微腔较为理 想制备参数:脉冲周期为5ms,占空比为5/10和上下各6个周期的Bragg镜面 层,得到了半峰宽为6nm的窄峰发射的多孔硅微腔。并用了以HF酸扩散为基础 的多孔硅动态腐蚀机理对实验结果进行了解释,认为在用电化学脉冲腐蚀法制 备多孔硅微腔的过程中,不但要考虑到HF酸对硅的纵向腐蚀(电流腐蚀),也 要考虑到HF酸对多孔硅硅柱的横向腐蚀(浸泡腐蚀)。 2. 总结了多孔硅微腔窄峰发射实验结果的几种情况,认为这是由于有限的 镜面层截止带宽度与多孔硅宽峰发射的相对位置不同所引起的结果,并在理论 上,用传输矩阵和量子盒模型对以上的结论进行了验证和说明。同时也对多孔 硅镜面层的窄峰发射进行了解释。 3. 在双微腔结构研究中,理论计算的结果显示,当中间镜面层周期数逐 渐增大时,耦合模式间的分裂逐渐减小,当中间镜面层的周期数约是外镜面层 雌纳米发光材料一一维多了桅光子晶体的实验和理论研究 摘 要 的两倍时,双微腔结构中的耦合模式将不存在。我们类比两个原于问的相互作 川来解释双微腔结构小的现象,认为-个微腔可以看作-个单S态光学原子, 双微腔结构可以看作两个光学原子的相互作川。”!I两个微腔逐渐靠近时,内个 S能态发牛作川,形成对称态和反对称态,能量与原来的简并能态相比有·定 的升高(反对称态)和降低(对称态),因此简并能态发牛分裂。双微腔结构 的电场分布结果也说明了以上结论。在实验k,制备了一系列十问镜面数不同 的多孔硅双微腔,得到了川脉冲电化学腐蚀制备的多孔硅微腔的可见光区域的 耦合峰发射,发现了多孔硅双微腔的红外双峰发射,并对这些试验结果进行了 讨论和解释。 二:提出并系统地研究了一维多孔硅光子量子阶结构,实验和理论结果表 明光子量子陕有类似于半导体量子阶结构的性质。 1.我们提出了一个实验上可行的光子异质结和光子量子饼结构,并川多孔 硅材料进行了验证,对实验结果进行了理论说明,得到了如下结论: A:可通过光子异质结结构得到宽的光子禁带。 B:非完全约束光子量子阶结构的束缚态出现在阶光子晶体的禁带区域,并 且不同束缚态对应不问的光子量子阶能级,不同的量子阶能级有不同程度的光 场约束,光场约束在阶光子晶体中的越多,对应的透射极大的半峰宽越小。 C:束缚态的位置能川半导体中的共振隧穿理论很好的解释。 D:光子量子饼中束缚态的数目可通过阶光于晶体的周期数来调整,随着阶 光子晶体的周期数的增加而增加。 2.提出了一维光子双量子阶结构,在实验上川多孔硅材料实现了这利l结 构,并在理论上对实验结果进行了说明。在实验上发现,在 维光于双量于阶 的反射谱中,原来光子单量子阶结构的透射极大位置发生了分裂,并且这个分 裂的能量大小随着中间光子晶体周期数的增加而减小。通过分析束缚态的电场 分布,类比与原子和分子,很好的解释了~维光子双量子阶结构的反射谱性 质。即随着两个光子原子间距的增大,两个光于原子的相互作川逐渐减弱,能 彪 人 俗士学位决文 复旦大进应用表面物理国家重点实验室 互豆 —— 级分裂逐渐减小;当两个光学原子正好分离时,两个光子原子的松厂作川忽 略,能级分裂消失。 3.制备了一维多孔硅不对称光子双量于阶结构,测量了它们的反射谱,基 十共振隧穿效应和光子态的耦合来定性的解释了观察到的反射谱结果。 二:实现了硅一多孔硅二维光子晶体结构,测量了在多孔硅的多孔度改变 的情况下,此种结构的可见和近红外发光谱,发现近红外发光增强(相比十硅 基片和单层多孔硅层)。我们用光子晶体的光局域概念解释了实验结果。基十 以上结果,我们提出了下面可以开展的工作,即制备二维和准三维的硅一多孔 硅光子晶体结构,通过光局域降


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