【摘要】：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(lái),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?chǎng)能量高度局域在金屬結(jié)構(gòu)表面,并表現(xiàn)出極強(qiáng)的近場(chǎng)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。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(metalNPs),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、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(zhǎng)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/metalNPs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(cè)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(chǎng)耦合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用快速光譜與微區(qū)光譜技術(shù),結(jié)合量子電動(dòng)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(dòng)力學(xué)過(guò)程。3.采用磁控濺射的方法制備金屬銀薄膜,并構(gòu)建ZnOnanorod/Agfilm復(fù)合光學(xué)微腔。利用金屬表面等離激元效應(yīng),將光場(chǎng)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(zhǎng)尺度等離子體激光(plasmonic laser)。4.設(shè)計(jì)并構(gòu)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(cè)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(cè)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元效應(yīng),構(gòu)建新型超靈敏SERS基底。首先,采用氣相傳輸法制備高品質(zhì)ZnO微米棒,選取單根ZnO微米棒作為光學(xué)微腔,利用離子濺射法在微腔表面修飾分布均勻的金屬Ag納米顆粒,實(shí)現(xiàn)了熒光染料分子羅丹明6G(R6G)和生物分子dopamine(DA)超靈敏檢測(cè)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN23

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