發(fā)布時間：2020-04-05 11:38

【摘要】：紫外光源(發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)等)在水和空氣凈化、生物醫(yī)學(xué)消毒、光刻等領(lǐng)域有重要的潛在應(yīng)用,引起了研究者們的廣泛關(guān)注。與氣體激光器和汞燈相比,半導(dǎo)體紫外光源具有體積小、質(zhì)量輕、制作簡單和成本低等優(yōu)點,使其在軍事和民用上具有廣泛應(yīng)用。寬禁帶半導(dǎo)體,金剛石,III-V氮化物半導(dǎo)體和II-VI族氧化物半導(dǎo)體是潛在的紫外光電的候選者。六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)氧化鋅(ZnO)是II-VI族寬禁帶(3.37 eV)的直接帶隙半導(dǎo)體材料,它具有高化學(xué)穩(wěn)定性、大光電耦合系數(shù)、高的激子結(jié)合能(60 meV)以及優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)等特性,被廣泛應(yīng)用于光電器件、氣敏器件、太陽能電池以及紫外探測等方面。此外,與其他微納結(jié)構(gòu)晶體相比,ZnO半導(dǎo)體材料具有結(jié)晶質(zhì)量高、易于制備、原材料豐富,安全環(huán)保等特點,是制造高效穩(wěn)定紫外微納光電器件潛在的應(yīng)用材料。但是ZnO半導(dǎo)體材料仍然存在著載流子傳輸效率低、表面缺陷難于調(diào)控、金屬半導(dǎo)體接觸誘導(dǎo)焦耳熱耗散、異質(zhì)結(jié)器件發(fā)光效率偏低以及紫外波段波長難以調(diào)諧等問題。因此,針對以上問題,本論文圍繞可控性Ga摻雜ZnO微米線的生長,及ZnO:Ga微米線的發(fā)光、異質(zhì)結(jié)紫外發(fā)光二極管器件的設(shè)計和制備開展了研究工作,并取得了如下創(chuàng)新性研究成果做:1.利用氣相傳輸法可控性的生長了不同Ga摻雜濃度的ZnO:Ga微米線。隨著Ga摻雜濃度的增加,單根ZnO微米線呈現(xiàn)出典型的近帶邊PL發(fā)射,發(fā)光中心波長從390 nm藍移至370 nm。說明Ga摻雜元素的引入可以有效可控的調(diào)諧ZnO的帶隙,實現(xiàn)ZnO近帶邊PL發(fā)射波長的可調(diào)諧。2.采用不同Ga摻雜濃度的ZnO微米線構(gòu)筑n-ZnO:Ga/p-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),獲得了以ZnO微米線的近帶邊發(fā)射(FWHM~10 nm)為主導(dǎo)紫外發(fā)射。隨著Ga摻雜濃度的增加,異質(zhì)結(jié)構(gòu)紫外波段波長可調(diào)諧,輻射范圍從384 nm至372 nm。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可歸于Ga摻雜元的介入引發(fā)了莫斯-布爾斯坦效應(yīng),抑制了界面處的EL發(fā)射,使得ZnO微米線的近帶邊發(fā)射占主導(dǎo)。也進一步證實了ZnO微米線光學(xué)帶隙工程的可行性以及在波長可調(diào)諧紫外光源中的潛在應(yīng)用價值。3.利用金屬納米顆粒(比如Au、Ag、Al)的局部等離激元衰變誘導(dǎo)產(chǎn)生“熱電子”,提高ZnO微米線載流子的再注入,調(diào)控ZnO的表面缺陷,進而制備出在可見光波段范圍內(nèi)發(fā)光中心波長可調(diào)的熒光燈絲光源。也為后續(xù)研究高效的發(fā)光二極管和激光二極管工作提供良好的技術(shù)和理論支持。
【圖文】：

Zn-O 鍵是由 Zn 原子在 3d 軌道上電子和 O 成的共價鍵，并且兩種原子的電負性相差很大，所為在 c 軸方向上是鋅和氧原子交替排列的，所以 c 軸組成的(0 001)面和 Zn 離子組成的 (0001) 面是 c 軸方向的極面外，還有等極性面(0 111)和 (1 011)。極性同，因此極性面的生長現(xiàn)象不同。表面結(jié)合能低的極快。ZnO 晶體中，擁有最低表面結(jié)合能的是在 c 軸 ZnO 晶體沿 c 軸方向的生長速率最快。ZnO 是具有。仲維卓提出了負離子配位多面體生長基元模型，長速率快慢應(yīng)為：]>V[0 111]>V [ 0111]>V [0 111]>V [ 0001]。所以，豐通過人為調(diào)控不同極性面的生長速率得到[25]。

ZnO 材料的優(yōu)勢：(1) ZnO 納米材料合成簡單，并且結(jié)構(gòu)豐富多樣。由于六角纖鋅礦結(jié)構(gòu) ZnO沿著不同晶向的生長速率不同很容易獲得多種結(jié)構(gòu)的納米。圖1.2為ZnO材料各種納米結(jié)構(gòu)形貌[23,26]。(2) 現(xiàn)在 ZnO 納米材料的制備方法也多種多樣，，例如分子束外延技術(shù)、氣相沉積技術(shù)、溶膠-凝膠法和水熱法等等。詳細的制備方法會在第二章簡單介紹。(3) ZnO 材料自身擁有光學(xué)諧振腔，可以獲得多種振蕩模式激光發(fā)射。圖 1.3為 ZnO 納米材料中三種典型的激光諧振模式及光學(xué)顯微鏡下的發(fā)光照片[20-22]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，三種典型的激光諧振模式都可以在 ZnO 材料中實現(xiàn)。這使得 ZnO 納米材料在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣泛。(4) ZnO 激子結(jié)合能高達 60meV，遠高于室溫?zé)犭x化能 (26meV) 。這表明在室溫或更高溫度下的 ZnO 材料中，不但以激子復(fù)合為主紫外發(fā)光容易實現(xiàn)，高效的與激子相關(guān)的受激發(fā)射也容易實現(xiàn)[27]。另外，激子結(jié)合能大的材料的光學(xué)增益也會高于激子結(jié)合能小的材料
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN312.8

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