表面等離子體增強(qiáng)氧化鋅回音壁模微腔受激輻射的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)納米材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體，具有寬禁帶寬度和高的激子束縛能，分別為3.37eV和60 meV，是納米科技前沿的研究?jī)?nèi)容，這一重要特性使其成為短波光電材料與器件的重要后備材料，也在低閾值、高品質(zhì)因子的紫外激光器實(shí)現(xiàn)上體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。過去的十多年中，人們對(duì)這種半導(dǎo)體的紫外光電特性，尤其是激光特性給予了極大的關(guān)注。Science，Phys.Rev.Lett.，Adv.Mater.，Nano Lett.等頂尖刊物均對(duì)此作了

2、大量報(bào)道。ZnO紫外激光的產(chǎn)生可歸于三類振蕩方式:一是基于顆粒界面散射，隨機(jī)形成正反饋而得到的隨機(jī)激光;二是基于微米棒等結(jié)構(gòu)的端面反射形成F-P激光;三是基于微腔內(nèi)壁全反射形成的回音壁模(WGM)激光。ZnO微納米棒、管、碟等單晶結(jié)構(gòu)單元具有很好的光學(xué)品質(zhì)和較高的折射率，這保證了內(nèi)壁全反射光學(xué)增益回路的有效形成，從而大大降低了光學(xué)散射與透射帶來的損耗，能作為良好的回音壁模腔體。因此，WGM激光在微腔量子電動(dòng)力學(xué)、光纖通訊、傳感等領(lǐng)域有著

3、重要的應(yīng)用前景。已有很多相關(guān)報(bào)道顯示ZnO WGM激光具有優(yōu)良品質(zhì)，并研究了其相應(yīng)的物理過程和應(yīng)用。如何提高激光的強(qiáng)度、減小微腔的光學(xué)損耗、降低激射閾值及品質(zhì)因子，是一個(gè)很有意義的研究課題。
　　在上世紀(jì)80年代，局域表面等離子體共振(LSPR)首次應(yīng)用于傳感技術(shù)，自此表面等離激元獲得了迅猛發(fā)展。經(jīng)過二十年的發(fā)展，其研究?jī)?nèi)容已經(jīng)涵蓋光波導(dǎo)、表面增強(qiáng)拉曼光譜、等離激元-激子耦合、納米開關(guān)、LSPR傳感器、表面等離激元激光器、光熱醫(yī)療

4、、突破衍射極限的超分辨成像、光學(xué)邏輯運(yùn)算和指數(shù)負(fù)折射率材料等等。近年來，隨著微納加工技術(shù)、納米材料的制備技術(shù)、納米近場(chǎng)表征技術(shù)和有效的電磁場(chǎng)模擬工具的發(fā)展，與表面等離子體激元相關(guān)的局域光學(xué)效應(yīng)受到廣泛重視、獲得了快速發(fā)展、成為光學(xué)和器件研究的興趣熱點(diǎn)。2009年，M.A.Noginov和R.F.Oulton等人各自在Nature上發(fā)表了關(guān)于Au納米顆粒和金屬膜體系中的金屬表面等離激元受激輻射放大現(xiàn)象，這引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，掀開了表面

5、等離子體共振增強(qiáng)半導(dǎo)體材料受激輻射的研究熱潮。目前，研究表明金屬表面等離子體能顯著增強(qiáng)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能，金屬表面等離子體在增強(qiáng)ZnO微納米材料的光致發(fā)光發(fā)面取得了巨大的進(jìn)展。已有不少研究表明，將ZnO薄膜、納米結(jié)構(gòu)等與金屬納米粒子或適當(dāng)?shù)慕饘俦∧は嘟Y(jié)合，通過表面等離激元共振(SPR)效應(yīng)，可大大增強(qiáng)ZnO本征的紫外發(fā)光。而利用表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)ZnO受激輻射的相關(guān)研究工作相對(duì)較少，有待開展，是十分有意義的研究?jī)?nèi)容。本論文旨在將

6、ZnO微納米結(jié)構(gòu)作為回音壁模微腔，利用不同金屬納米粒子的表面等離子體共振效應(yīng)的優(yōu)異特性實(shí)現(xiàn)ZnO受激輻射的增強(qiáng)，提高ZnO微納米結(jié)構(gòu)WGM多模激光和單模性能，探討了Au、Ag、Pt三種金屬納米顆粒的LSPR效應(yīng)對(duì)ZnO WGM微腔的不同的增強(qiáng)機(jī)理，為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能、高輸出功率的紫外激光器奠定基礎(chǔ)和提供技術(shù)支撐，為了解其中的物理機(jī)理提供深刻的科學(xué)認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。主要研究了以下四方面的內(nèi)容:
　　一、我們構(gòu)建了ZnO微納米管與金納米

7、顆粒的復(fù)合微腔，借助金納米顆粒的LSPR效應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了回音璧模激光的增強(qiáng)和ZnO缺陷發(fā)光的抑制，從而提高ZnO微納米材料的紫外發(fā)光強(qiáng)度。我們通過一系列優(yōu)化的濺射時(shí)間來調(diào)控金納米顆粒尺寸和分布，從而使得金的消光峰與氧化鋅缺陷峰達(dá)到最佳匹配程度，獲得了10倍的最佳增強(qiáng)效果，同時(shí)缺陷光受到明顯抑制。
　　二、實(shí)驗(yàn)中我們利用氣相傳輸法制備ZnO微米梳，根據(jù)微米梳中相鄰兩齒間距離漸變的特點(diǎn)，構(gòu)建了天然的耦合回音壁微腔，通過調(diào)控相鄰兩齒之間的

8、空氣隙大小，系統(tǒng)研究了其激光光譜行為和兩齒之間的耦合相互作用?；谟螛?biāo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了耦合微米齒的紫外激光從多模到單模的演化。我們的研究為激光模式調(diào)控和實(shí)現(xiàn)單模激光提供了一種行之有效的方法。
　　三、我們?cè)赯nO微米梳表面濺射不同時(shí)間的鉑納米顆粒，在最佳濺射時(shí)間為90s時(shí)，得到了17倍的紫外發(fā)射增強(qiáng)，進(jìn)一步研究了ZnO微米梳中單根棒的WGM多模激光和耦合棒的單模激光，發(fā)現(xiàn)WGM多模激光和單模激光得到了7倍的增強(qiáng)，同時(shí)缺陷得到明顯抑制。這