單納米結(jié)構(gòu)帶隙調(diào)控及其納米光子學(xué)器件研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特物化性質(zhì)不僅有利于半導(dǎo)體器件的小型化和集成化，而且在新型納米光電子器件研發(fā)領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。帶隙是半導(dǎo)體光電子器件中最重要的本征參數(shù)之一，原則上決定了半導(dǎo)體光電器件的光譜響應(yīng)特征。然而眾所周知，所有天然半導(dǎo)體可供利用的帶隙值組成的是一個(gè)十分有限的離散集。為了克服天然半導(dǎo)體帶隙的這種局限性，人們利用合金化和量子尺寸效應(yīng)等多種手段開展了半導(dǎo)體帶隙調(diào)控工作，極大地豐富了半導(dǎo)體可供利用的帶隙值，甚至成功地在單個(gè)襯底上集成

2、了一系列遞變的帶隙。鑒于單個(gè)納米結(jié)構(gòu)中的帶隙調(diào)控能夠在納米尺度空間集成豐富的帶隙值，有望為納米光電器件研發(fā)提供全新的材料平臺(tái)，單納米結(jié)構(gòu)帶隙調(diào)控在納米科技日新月異的發(fā)展過程中日益重要。
　　有鑒于此，本論文精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)了傳統(tǒng)熱蒸發(fā)納米材料生長(zhǎng)技術(shù)并在此基礎(chǔ)上生長(zhǎng)了多種特殊半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。最終成功地在單個(gè)納米結(jié)構(gòu)中通過合金組分調(diào)控實(shí)現(xiàn)了單納米結(jié)構(gòu)帶隙調(diào)控。更加重要的是，利用這些特殊的納米結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)和研究了幾種重要的新型納米光子

3、學(xué)概念器件并測(cè)試評(píng)估了它們的性能表現(xiàn)。主要代表性研究成果歸納如下:
　　(1)率先將磁力助推系統(tǒng)整合到了傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)納米材料生長(zhǎng)系統(tǒng)中，成功地在高溫生長(zhǎng)過程中實(shí)現(xiàn)了固態(tài)反應(yīng)源材料置換或收集襯底位移。在此基礎(chǔ)上，生長(zhǎng)了沿納米線軸向具有全組分梯度CdSxSe1-x(x=0～1)和ZnxCd1-xSySe1-y(x，y=0～1）合金納米線，實(shí)現(xiàn)了沿單根納米線軸向的梯度帶隙調(diào)控。它們均可用作集成了豐富波長(zhǎng)的高品質(zhì)納米光源。尤其是ZnxCd

4、1-xSySe1-y納米線，其發(fā)光波長(zhǎng)幾乎覆蓋整個(gè)可見光譜區(qū)且尺寸小于人眼的分辨極限，可直接用作高品質(zhì)納米白光光源。
　　(2)我們從理論上預(yù)測(cè)了組分梯度型半導(dǎo)體納米線中的非對(duì)稱光波導(dǎo)現(xiàn)象，并以組分梯度CdSxSe1-x納米線為基礎(chǔ)，首次在半導(dǎo)體納米線中闡明了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作波長(zhǎng)可調(diào)、工作閥值低，納米尺寸和方便集成等優(yōu)秀特征的非對(duì)稱光傳播。研究表明，光在組分遞變型半導(dǎo)體納米線中的傳輸損耗與傳輸方向密切相關(guān)。沿帶隙增加方

5、向傳輸時(shí)的損耗來自結(jié)構(gòu)無序誘導(dǎo)的帶尾態(tài)吸收和非理想表面泄漏。相反，沿帶隙減小方向傳輸時(shí)除上述損耗外，總傳輸損耗由于每個(gè)吸收-發(fā)射過程中伴隨的大量無輻射躍遷而急劇增加。正是這種傳輸方向依賴的巨大損耗差異提供了半導(dǎo)體納米線非對(duì)稱光傳輸?shù)幕驹怼?br>　　(3)系統(tǒng)研究了組分遞變型CdSxSe1-x半導(dǎo)體納米線中的光波導(dǎo)行為，首次發(fā)現(xiàn)了沿這種納米線的帶隙減小方向的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光波導(dǎo)過程。研究表明，當(dāng)聚集激光束在窄帶隙端激發(fā)納米線時(shí)，納米線對(duì)于

6、激發(fā)出來的光是一種無源波導(dǎo)介質(zhì)，光在其中通過全反射沿納米線帶隙增加方向往前傳播，整個(gè)傳播過程中保持傳輸光光子頻率不變。相反，當(dāng)在寬帶隙端激發(fā)納米線時(shí)，納米線對(duì)于激發(fā)出來的光是一種有源波導(dǎo)介質(zhì)，激發(fā)出來的光在納米線中通過不斷重復(fù)的帶間吸收-發(fā)射過程沿帶隙減小的方向傳播，其光波長(zhǎng)將隨傳播的距離而不斷改變，此時(shí)納米線實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件的功能。在此基礎(chǔ)上，利用梯度納米線這些有趣的性質(zhì)，通過將多根常規(guī)CdS納米線搭在單根CdSxSe1-x納米線上

7、不同位置構(gòu)成納米線分支結(jié)構(gòu)，首次成功演繹了基于半導(dǎo)體納米線的波分器功能。
　　(4)利用多步源移動(dòng)式熱蒸發(fā)法，可控的制備了一種類三明治納米帶橫向異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)中間組分是CdSxSe1-x合金，兩邊外延生長(zhǎng)了CdS，因此實(shí)現(xiàn)了沿單個(gè)納米帶寬度方向的突變帶隙調(diào)控。在紫外光照射下，單個(gè)這種納米帶的發(fā)光顏色沿其寬度方向呈現(xiàn)典型的三明治結(jié)構(gòu)，其中兩邊為綠色，中間為紅色，均來自于相應(yīng)組分的帶邊發(fā)光。在脈沖激光激發(fā)下，首次報(bào)導(dǎo)了基于這種單納

8、米帶的室溫雙色激光發(fā)射并且兩工作波長(zhǎng)之間的間隔可通過控制中間CdSxSe1-x合金的組分實(shí)現(xiàn)可調(diào)
　　(5)基于改進(jìn)的熱蒸發(fā)法，成功控制了錫在CdS納米線中摻雜濃度，生長(zhǎng)了具有不同束縛態(tài)發(fā)光強(qiáng)度的高質(zhì)量CdS納米線并以此為基礎(chǔ)有效的降低了CdS納米線中有源光波導(dǎo)的損耗，有效提高了其整體波導(dǎo)效率。此外，由于束縛態(tài)發(fā)光的存在，CdS的帶邊發(fā)射在這種納米線中傳輸一定距離后將被徹底吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體帶邊發(fā)光的過濾功能。這是首個(gè)利用摻雜來避