【摘要】：非線性光學材料的研究促進了非線性光學的發(fā)展和應用,通過合理設(shè)計并優(yōu)化制備寬帶響應、非線性強的非線性光學材料成為近些年來科研人員們的熱門研究課題。純InSe是一種優(yōu)良的III-VI族半導體,因其具有高調(diào)制率、高非線性和超快的響應時間等特點而被廣泛研究。眾所周知,摻雜是一種可以優(yōu)化提升材料光學非線性特性的有效方式。對比純InSe材料,本文選用Al摻雜InSe納米材料,提升了非線性吸收強度。同時,Al摻雜InSe材料具有寬帶非線性響應、超快響應時間、大的反飽和吸收等特性,在寬帶光限幅領(lǐng)域具有良好的應用價值。本文的研究內(nèi)容如下:采用磁控濺射法制備并優(yōu)化合成了Al摻雜InSe納米薄膜。通過AFM和SEM表征得出Al摻雜InSe納米薄膜表面致密平整、無裂縫。通過XRD表征得出Al摻雜InSe納米薄膜為非晶體。EDS表征得出Al摻雜InSe納米薄膜中的原子百分比和質(zhì)量百分比。紫外-可見-近紅外分光光度計表征結(jié)果表明Al元素的摻入導致InSe的帶隙變寬,相應的帶隙值分別為2.68 eV、2.53 eV、2.41 eV、2.34 eV。利用飛秒激光Z-掃描實驗,對不同濺射功率下的Al摻雜InSe納米薄膜進行多波段和不同能量的系統(tǒng)研究。得到在相同能量激發(fā)下,隨著濺射功率增加,Al摻雜InSe納米薄膜的非線性吸收增強;同時,同一濺射功率的Al摻雜InSe納米薄膜,隨著激光能量增加,非線性吸收增強。從實驗數(shù)據(jù)中提取了樣品的非線性吸收系數(shù)。結(jié)果表明Al摻雜InSe納米薄膜中存在雙光子吸收和自由載流子吸收,其中自由載流子吸收是由雙光子吸收(價帶)以及單光子吸收(摻雜能級)引起的。利用飛秒瞬態(tài)吸收譜測試方法,對2.5 W濺射功率Al摻雜InSe納米薄膜的載流子恢復過程進行系統(tǒng)的研究。在泵浦光350 nm,探測光532~1064 nm波段激發(fā)下,得到三個載流子弛豫壽命分別為τ_1(1.85±0.35 ps)、τ_2(12.50±0.95ps)和τ_3(2.70±0.18 ns),并討論載流子恢復機制。結(jié)合Z-掃描和瞬態(tài)吸收譜實驗結(jié)果,對2.5 W濺射功率Al摻雜InSe納米薄膜進行光限幅測試,得出在不同波段的光限幅閾值。本文的研究結(jié)果表明,Al摻雜提升了InSe材料的非線性吸收特性。Al元素的摻入使InSe材料的非線性吸收系數(shù)變大,對研究相關(guān)材料有一定的光物理意義。因其具有寬帶非線性響應、超快響應時間、高線性透過率和低光限幅閾值等性質(zhì),在光限幅中有廣泛的應用。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O437;TB383.2
【圖文】：

本課題的研究背景及研究目的和意義隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，科學研究者們對于半導體材料的需求在不擴大。科研人員對半導體材料的研究已經(jīng)不再局限于 Si、Ge、Se、B、Te、等單一類型的半導體，新型半導體薄膜材料的制備合成和非線性光學性質(zhì)的已成為新功能材料等領(lǐng)域的研究熱點。半導體材料的非線性光學性質(zhì)在光件（例如光限幅器、光耦合器、全光開關(guān)等）領(lǐng)域具有良好的潛在的應用。III-VI 族元素構(gòu)成的半導體化合物具有二維層狀結(jié)構(gòu)，因具有優(yōu)異的半導料的特性，例如較強的光學非線性特性以及在光伏、光電效應、光電器件、型器件特別是非線性光學等方面都具有良好的應用價值。硒化銦（InSe）種性能優(yōu)異的 III-VI 族化合物半導體，由于它具有高調(diào)制率、高非線性和的響應時間等特點[1]，而引起了人們的廣泛關(guān)注。近幾年 InSe 的層狀結(jié)構(gòu) 1-1）被廣泛研究[2, 3]。通過研究發(fā)現(xiàn)，InSe 半導體材料相對于傳統(tǒng)半導體的非線性特性并不突出，因此，如何提高 InSe 半導體材料的非線性特性成幾年的研究熱點。

l 元素是 InSe 材料的一種優(yōu)良的摻雜劑，它能夠促進激發(fā)態(tài)吸收，并增強的反飽和吸收。此外，Al 摻雜是一種調(diào)制 InSe 帶隙結(jié)構(gòu)從而可以實現(xiàn)非的寬帶響應有效的方法。當可見光或者近紅外光照射到 Al 摻雜 InSe 半導料上時，Al 摻雜 InSe 中的電子會吸收入射光子能量從而發(fā)生能帶帶間躍而表現(xiàn)出比較好的非線性特性。Z-掃描測量技術(shù)和瞬態(tài)吸收光譜測量具有方式多樣、和樣品之間沒有接觸、時間分辨率高等特點，是研究 Al 摻雜 I導體材料中非線性光學性質(zhì)的有利工具[11]。.2 半導體材料的非線性性質(zhì)研究.2.1 半導體能帶理論本文研究的是 IIIA 族 Al 元素摻雜 InSe 納米薄膜材料的光學非線性特性l 摻雜 InSe 納米薄膜是一種具有窄帶隙的直接帶隙半導體材料。在我們所的 Al 摻雜 InSe 納米薄膜材料中，可以用比較簡單的由導帶和價帶構(gòu)成的模型來解釋材料內(nèi)部產(chǎn)生的非線性機理。具體的能帶示意圖如圖 1-2 所示

哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文1.3.1 國外研究現(xiàn)狀從上個世紀 90 年代開始，瑞士洛桑理工學院的 M. Gratzel 小組就對一些有機分子與金屬硒化物納米結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的復合材料的光生載流子動力學特性進行了研究。從 M. Gratzel 等人該小組的實驗結(jié)果中可以知道，有機分子中光激發(fā)的電子躍遷至金屬硒化物導帶間的載流子遷移過程是一個時間為 200 飛秒左右的超快過程[20]。2010 年，Mustafa Yüksek 等人研究了非晶 InSe 薄膜的非線性吸收特性。通過泵浦探測技術(shù)和開孔 Z-掃描技術(shù)研究了膜厚度對 InSe 材料非線性吸收特性的影響，通過實驗得出結(jié)論，較薄的膜表現(xiàn)出飽和吸收特性，較厚的膜表現(xiàn)出反飽和吸收特性，如圖 1-3 所示，這種現(xiàn)象是因為隨著膜厚度增加，能帶隙中的局域缺陷態(tài)明顯增加。采用基于 Adomian 分解法得到開孔 Z-掃描理論擬合實驗曲線從而得出非線性吸收系數(shù)以及飽和強度閾值[21]。

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