ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備及光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氧化鋅(ZnO)是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV，是制備紫外光電器件的理想材料。由于小尺寸效應(yīng)及量子限域效應(yīng)等，納米尺度的ZnO在物理性質(zhì)上明顯優(yōu)于它的體材料，可望用于構(gòu)建微/納米量級(jí)的紫外激光器、紫外發(fā)光二極管、高靈敏度的生物/化學(xué)傳感器等。納米ZnO實(shí)用化的基礎(chǔ)是材料的制備。盡管人們已經(jīng)能夠通過多種方法制備不同形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)，但對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長因素還不能完全有效地

2、控制，所獲得的納米結(jié)構(gòu)的形貌及物性還存在較大的偶然性，特別是對(duì)生長機(jī)理的認(rèn)識(shí)還處于較低的層次。所以，在今后一段較長時(shí)間內(nèi)，ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備仍然是ZnO研究的一個(gè)重要內(nèi)容?；诖蟮南鄬?duì)于空氣的折射率以及強(qiáng)的激子增益特性，六角對(duì)稱的ZnO微/納米結(jié)構(gòu)本身就是一個(gè)自然的激光器，是微/納米光電器件的理想光源。另外，ZnO還是一種非對(duì)稱中心的晶體，其體材料就具有大的非線性光學(xué)效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)的ZnO由于大的比表面，非線性極化率還會(huì)進(jìn)一步增加，這

3、又預(yù)示著它在非線性頻率變換、多光子器件等領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。本論文以ZnO納米材料的制備、受激輻射、以及多光子效應(yīng)為主要研究內(nèi)容，獲得了一系列有意義的結(jié)果。具體研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.通過對(duì)原材料、氣體過飽和度、生長溫度以及生長氣氛等因素的控制，用CVD方法制備了多種形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)，包括納米線、納米針、納米棒，納米碟、納米釘以及其它一些形貌優(yōu)美的納米結(jié)構(gòu)。借助掃描電子SEM、XRD、TEM等表征手段，基于

4、氣-液-固(VLS)機(jī)理以及氣-固(VS)機(jī)理，結(jié)合具體的生長條件，對(duì)各種納米結(jié)構(gòu)的成核、生長機(jī)理進(jìn)行了研究。用電弧放電的方法成功地制備了尺寸較小的ZnO納米棒，基于其具體的生長過程，對(duì)生長機(jī)理及其光譜特性進(jìn)行了分析。
　　 2.從ZnO納米線中獲得了強(qiáng)的紫外放大自發(fā)輻射，基于三能級(jí)模型對(duì)其閾值及線寬等物理量作了理論上的研究。以350nm以及800nm的飛秒激光作為單光子及多光子激發(fā)光源，在ZnO微針中分別獲得了單光子以及多光子

5、激發(fā)的紫外激光。從品質(zhì)因子、模式結(jié)構(gòu)等因素分析了激光產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)果表明，微針中的激光是回音壁模式(WGM)的激光。
　　 3.以520nm-680nm不同波長的激光作為激發(fā)光源，在ZnO納米棒中獲得了雙光子熒光。雙光子熒光的強(qiáng)度不僅與激發(fā)光強(qiáng)有關(guān)，還與激發(fā)波長有關(guān)。在激發(fā)光強(qiáng)一定的情況下，最強(qiáng)雙光子熒光的所對(duì)應(yīng)的激發(fā)波長相比于用體材料模型計(jì)算的結(jié)果有一明顯的紅移。對(duì)此，提出了帶隙中的缺陷能級(jí)以及小尺寸效應(yīng)可能是造成這種偏差的原