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金属表面等离激元增强的ZnO紫外光电性能与器件研究

卢俊峰  
【摘要】:作为一种直接带隙、宽禁带半导体材料(3.37 eV)的典型代表,ZnO已逐渐成为构建短波光电子器件的重要候选材料。另一方面,其高达60 meV的激子束缚能决定了 ZnO在紫外光电器件领域,尤其在激光器件上的应用具有广阔的前景。然而,p型掺杂的瓶颈严重阻碍了基于经典量子阱结构设计和构建半导体激光二极管。人们另辟蹊径,利用p型GaN替代p型ZnO,构建异质结构光电器件,成功获得了室温电泵浦激光二极管。然而,由于晶格与能带上的不匹配,以及ZnO材料本身严重的自补偿效应,导致其本征发光效率偏低。因此,如何有效提升电子-空穴复合效率,改善器件发光性能,成为一项重要的研究课题。近年来,金属表面等离子体光学的发展,引起了人们的广泛关注。入射光引起的金属纳米结构表面自由电子的集体共振,能够将光场能量高度局域在金属结构表面,并表现出极强的近场增强特性。利用金属纳米材料这一独特的物理效应,能够有效提升ZnO材料本征发光效率,并设计和构建基于半导体材料和金属纳米结构的新型光电子器件。本文旨在利用金属表面等离激元效应有效提升ZnO本征发光性能,探索光泵浦条件下ZnO微纳结构紫外自发和受激辐射增强机制。并进一步设计和构建等离激元耦合的ZnO基紫外光电器件及生物传感器,实现器件性能明显改善。本论文的主要内容如下:1.利用气相传输法、离子溅射等方法分别制备形貌可控的ZnO微纳结构和金属纳米颗粒(metalNPs),分析并优化原料配方、温度、气氛、溅射时间、溅射电流等工艺条件。利用XRD、TEM、HRTEM、SAED等形貌与结构表征手段揭示了 ZnO微纳材料和金属纳米颗粒的结构特征和生长机理。利用微区光谱、吸收光谱和拉曼光谱等技术系统表征了 ZnO微纳结构和金属纳米粒子的光学特性。2.进一步利用多种光谱技术,分析ZnO/metalNPs复合体系的光谱学行为。利用飞秒激光技术,结合时间分辨光谱与变温光谱技术测量微纳米结构ZnO与金属纳米粒子复合体系发光的时间特性与温度特性,分析界面中光学跃迁、电子振荡与光场耦合的动力学过程。利用快速光谱与微区光谱技术,结合量子电动力学理论,分析metal NPs/ZnO微腔中电子、激子、光子等之间的相互作用,探讨金属表面等离激元增强的自发辐射与受激辐射动力学过程。3.采用磁控溅射的方法制备金属银薄膜,并构建ZnOnanorod/Agfilm复合光学微腔。利用金属表面等离激元效应,将光场能量局域在极小空间范围内,突破衍射极限,成功实现亚波长尺度等离子体激光(plasmonic laser)。4.设计并构建了金属表面等离激元耦合的ZnO基紫外光电子器件。以石英作为衬底,采用气相传输法制备了ZnO纳米棒阵列,其后在ZnO纳米棒表面修饰金属铝纳米颗粒,并构建MSM结构紫外光电探测器,利用金属铝局域表面等离激元效应,实现紫外光探测性能增强。另一方面,利用p型GaN作为衬底,气相传输法制备了p-GaN/n-ZnO纳米棒异质结,并修饰金属铝纳米颗粒,提升器件的紫外发光性能。5.结合ZnO微腔回音壁模效应和金属Ag纳米颗粒局域表面等离激元效应,构建新型超灵敏SERS基底。首先,采用气相传输法制备高品质ZnO微米棒,选取单根ZnO微米棒作为光学微腔,利用离子溅射法在微腔表面修饰分布均匀的金属Ag纳米颗粒,实现了荧光染料分子罗丹明6G(R6G)和生物分子dopamine(DA)超灵敏检测。


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