金屬表面等離激元增強(qiáng)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(dǎo)體材料(3.37 eV)的典型代表，ZnO已逐漸成為構(gòu)建短波光電子器件的重要候選材料。另一方面，其高達(dá)60 meV的激子束縛能決定了ZnO在紫外光電器件領(lǐng)域，尤其在激光器件上的應(yīng)用具有廣闊的前景。然而，p型摻雜的瓶頸嚴(yán)重阻礙了基于經(jīng)典量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)建半導(dǎo)體激光二極管。人們另辟蹊徑，利用p型GaN替代p型ZnO，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yán)重的自補(bǔ)償效應(yīng)，導(dǎo)致其本征發(fā)光效率偏低。因此，如何有效提升電子-空穴復(fù)合效率，改善器件發(fā)光性能，成為一項(xiàng)重要的研究課題。近年來，金屬表面等離子體光學(xué)的發(fā)展，引起了人們的廣泛關(guān)注。入射光引起的金屬納米結(jié)構(gòu)表面自由電子的集體共振，能夠?qū)⒐鈭瞿芰扛叨染钟蛟诮饘俳Y(jié)構(gòu)表面，并表現(xiàn)出極強(qiáng)的近場增強(qiáng)特性。利用金屬納米材料這一獨(dú)特的物理效應(yīng)，能夠有效提升ZnO材料本征發(fā)光效率，并設(shè)計(jì)和構(gòu)建基于半導(dǎo)體材料和金屬納米結(jié)構(gòu)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(yīng)有效提升ZnO本征發(fā)光性能，探索光泵浦條件下ZnO微納結(jié)構(gòu)紫外自發(fā)和受激輻射增強(qiáng)機(jī)制。并進(jìn)一步設(shè)計(jì)和構(gòu)建等離激元耦合的ZnO基紫外光電器件及生物傳感器，實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)間、濺射電流等工藝條件。利用XRD、TEM、HRTEM

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

5、速光譜與微區(qū)光譜技術(shù)，結(jié)合量子電動力學(xué)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(qiáng)的自發(fā)輻射與受激輻射動力學(xué)過程。
　　3.采用磁控濺射的方法制備金屬銀薄膜，并構(gòu)建ZnO nanorod/Ag film復(fù)合光學(xué)微腔。利用金屬表面等離激元效應(yīng)，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(shí)現(xiàn)亞波長尺度等離子體激光(plasmonic laser)。
　　4.設(shè)計(jì)并構(gòu)

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(gòu)建MSM結(jié)構(gòu)紫外光電探測器，利用金屬鋁局域表面等離激元效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)紫外光探測性能增強(qiáng)。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(zhì)結(jié)，并修飾金屬鋁納米顆粒，提升器件的紫外發(fā)光性能。
　　5.結(jié)合ZnO微腔回音壁模效應(yīng)和金屬Ag納米顆粒局域表面等離激