金屬表面等離激元增強的ZnO紫外光電性能與器件研究.pdf

1、作為一種直接帶隙、寬禁帶半導體材料(3.37 eV)的典型代表，ZnO已逐漸成為構建短波光電子器件的重要候選材料。另一方面，其高達60 meV的激子束縛能決定了ZnO在紫外光電器件領域，尤其在激光器件上的應用具有廣闊的前景。然而，p型摻雜的瓶頸嚴重阻礙了基于經(jīng)典量子阱結構設計和構建半導體激光二極管。人們另辟蹊徑，利用p型GaN替代p型ZnO，構建異質結構光電器件，成功獲得了室溫電泵浦激光二極管。然而，由于晶格與能帶上的不匹配，以及ZnO

2、材料本身嚴重的自補償效應，導致其本征發(fā)光效率偏低。因此，如何有效提升電子-空穴復合效率，改善器件發(fā)光性能，成為一項重要的研究課題。近年來，金屬表面等離子體光學的發(fā)展，引起了人們的廣泛關注。入射光引起的金屬納米結構表面自由電子的集體共振，能夠將光場能量高度局域在金屬結構表面，并表現(xiàn)出極強的近場增強特性。利用金屬納米材料這一獨特的物理效應，能夠有效提升ZnO材料本征發(fā)光效率，并設計和構建基于半導體材料和金屬納米結構的新型光電子器件。

3、　　本文旨在利用金屬表面等離激元效應有效提升ZnO本征發(fā)光性能，探索光泵浦條件下ZnO微納結構紫外自發(fā)和受激輻射增強機制。并進一步設計和構建等離激元耦合的ZnO基紫外光電器件及生物傳感器，實現(xiàn)器件性能明顯改善。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.利用氣相傳輸法、離子濺射等方法分別制備形貌可控的ZnO微納結構和金屬納米顆粒(metal NPs)，分析并優(yōu)化原料配方、溫度、氣氛、濺射時間、濺射電流等工藝條件。利用XRD、TEM、HRTEM

4、、SAED等形貌與結構表征手段揭示了ZnO微納材料和金屬納米顆粒的結構特征和生長機理。利用微區(qū)光譜、吸收光譜和拉曼光譜等技術系統(tǒng)表征了ZnO微納結構和金屬納米粒子的光學特性。
　　2.進一步利用多種光譜技術，分析ZnO/metal NPs復合體系的光譜學行為。利用飛秒激光技術，結合時間分辨光譜與變溫光譜技術測量微納米結構ZnO與金屬納米粒子復合體系發(fā)光的時間特性與溫度特性，分析界面中光學躍遷、電子振蕩與光場耦合的動力學過程。利用快

5、速光譜與微區(qū)光譜技術，結合量子電動力學理論，分析metal NPs/ZnO微腔中電子、激子、光子等之間的相互作用，探討金屬表面等離激元增強的自發(fā)輻射與受激輻射動力學過程。
　　3.采用磁控濺射的方法制備金屬銀薄膜，并構建ZnO nanorod/Ag film復合光學微腔。利用金屬表面等離激元效應，將光場能量局域在極小空間范圍內(nèi)，突破衍射極限，成功實現(xiàn)亞波長尺度等離子體激光(plasmonic laser)。
　　4.設計并構

6、建了金屬表面等離激元耦合的ZnO基紫外光電子器件。以石英作為襯底，采用氣相傳輸法制備了ZnO納米棒陣列，其后在ZnO納米棒表面修飾金屬鋁納米顆粒，并構建MSM結構紫外光電探測器，利用金屬鋁局域表面等離激元效應，實現(xiàn)紫外光探測性能增強。另一方面，利用p型GaN作為襯底，氣相傳輸法制備了p-GaN/n-ZnO納米棒異質結，并修飾金屬鋁納米顆粒，提升器件的紫外發(fā)光性能。
　　5.結合ZnO微腔回音壁模效應和金屬Ag納米顆粒局域表面等離激