稀土硅酸鹽單晶納米線的可控合成及其光子學特性研究.pdf

1、近年來，微納尺度的硅基光子學以其低成本、小尺寸以及與標準的CMOS工藝兼容的優(yōu)點對信息技術的發(fā)展過程起到了非常關鍵的推動作用，因此也吸引了大批科學家的廣泛關注。硅基光子學的主要研究領域包括高性能的硅基光源、放大器、調制器以及探測器等基本光子器件。目前，高速的硅基光調制器和探測器已經(jīng)有許多研究報道，然而，由于硅是間接帶隙半導體，發(fā)光效率很低，因此硅基光源或放大器目前還面臨比較大的挑戰(zhàn)。研究人員主要通過量子效應以及在硅材料中引入發(fā)光中心來提

2、高硅基材料的發(fā)光效率。由于Er3+離子近紅外發(fā)光與通信波段低損耗窗口相吻合，因此Er3+摻雜的硅基兼容材料是近年來研究的熱點。前期的研究結果發(fā)現(xiàn)，鉺硅酸鹽化合物中的稀土離子濃度比傳統(tǒng)的鉺摻雜的硅基材料要高2-3個數(shù)量級，而且100%的鉺離子都具有光學活性，這一特性使其成為實現(xiàn)硅基可集成高增益有源器件最具潛力的材料。本文采用化學氣相沉積法制備了不同種類的鉺硅酸鹽或鉺鐿硅酸鹽單晶納米線，系統(tǒng)地研究了所制備樣品的形貌、元素組成，結構特點以及E

3、r3+濃度對納米線上轉換發(fā)光和近紅外發(fā)光特性的影響，并構建了基于Si-(Er/Yb)2Si2O7核殼結構單晶納米線亞微米通訊光放大器，實現(xiàn)了基于單根Er2SiO5單晶納米線的溫度傳感器等光子學器件。本文取得的幾項主要研究成果如下：
　　1.首次采用化學氣相沉積法成功合成了(ErxYb1-x)3Cl(SiO4)2單晶結構納米線，并通過調控源材料中Er3+離子和Yb3+的摩爾比成功實現(xiàn)了納米線中Er3+離子濃度的可調。分別研究了不同E

4、r3+離子濃度納米線的上轉換發(fā)光和近紅外發(fā)光特性，實驗結果表明納米線中Er3+離子的上轉換發(fā)光最強對應的濃度約為1.2×1022cm-3，而對于近紅外發(fā)光，在濃度約為0.48×1022cm-3時發(fā)光最強，說明隨著Er3+離子濃度的變化，上轉換發(fā)光與紅外發(fā)光之間存在競爭關系。同時，通過研究不同Er3+離子濃度納米線的近紅外發(fā)光壽命，發(fā)現(xiàn)濃度為0.48×1022cm-3的樣品具有最長的近紅外發(fā)光壽命約為2.8ms。這為實現(xiàn)高增益的微納尺度光

5、放大器提供了新材料。
　　2利用化學氣相沉積法首次可控合成了核層和殼層尺寸可調的Si-(Er/Yb)2Si2O7核-殼結構單晶納米線。通過有限元方法對納米線進行光模式分析，結果表明對于總直徑為600nm的納米線，隨著硅核直徑尺寸的增加，對1.53μm波長的光限域因子逐漸增大。二維模式分析和三維的光傳導分析結果均表明對于總直徑為600nm，硅核層直徑為300nm的納米線，對1.5μm的光能量具有最佳的限域效果（>92%），非常有意義

6、的一點是光能量恰好局域在殼層與核層的交界處的增益介質中，而且能沿著納米線的徑向方向有效地傳輸，這對于實現(xiàn)高的信號光增益非常有利。根據(jù)模擬結果，我們通過控制反應條件，成功制備了具有最佳尺寸結構的核殼納米線，并利用倏逝波耦合原理系統(tǒng)測試了Er/Yb硅酸鹽單晶核-殼結構納米線的損耗和增益，實驗結果表明納米線的損耗隨著硅核尺寸的增大而減少，這與理論模擬的結果基本一致。同時，我們在單根亞微米尺寸的納米線上獲得了約20dB/mm的凈增益，首次實現(xiàn)了

7、亞微米尺度高增益的通信光放大器，向芯片級集成光子學的發(fā)展邁出了重要的一步。
　　3，利用化學氣相沉積法首次合成了單晶Er2SiO5納米線，系統(tǒng)研究了納米線的發(fā)光和光波導性能，利用Er3+離子在980nm激發(fā)下的上轉換發(fā)光特性，首次在單根納米線上實現(xiàn)了光學溫度傳感器。研究表明，該單根納米線溫度計的靈敏度高達9.05×10-3 K-1，比以往鉺摻雜氧化物的靈敏度高一個數(shù)量級，與鉺摻雜的氟化物基質材料的靈敏度相當。這一研究結果表明單晶硅

8、酸鹽納米線在硅基光電子學和光學溫度傳感領域有非常潛在的應用價值。
　　4，論文最后一章還通過化學氣相沉積法合成了高質量的單晶全無機鈣鈦礦CsPbBr3納米棒,并系統(tǒng)研究了全無機鈣鈦礦多光子泵浦的激射性能，研究結果表明，在800nm和1200nm的光激發(fā)下，CsPbBr3納米棒可以實現(xiàn)低閾值高品質因數(shù)的雙光子和三光子泵浦的激射；并且通過多光子泵浦的激射模式的藍移，可以觀察到明顯的半導體的帶隙填充效應；此外實驗結果還證明CsPbBr3