【摘要】：ZnO具有許多優(yōu)秀的物理性能,它被視為制作新一代光電器件的潛在半導(dǎo)體材料。但是目前的研究遠(yuǎn)沒達(dá)到實(shí)用程度,其中很重要的一個(gè)原因是原始生長的ZnO材料的光電性能較差。本文論述了使用表面等離子體共振、透明介電微球和激光輻照等方法調(diào)控ZnO材料的光電性能。首先,采用準(zhǔn)分子激光沉積技術(shù)在多種襯底上(藍(lán)寶石、SiC、ZnO單晶、Ti、石墨烯)制備了ZnO薄膜。XRD、拉曼光譜等檢測顯示Ti基ZnO薄膜的最佳生長溫度為500℃。石墨烯基ZnO薄膜具有很好的熒光發(fā)光性質(zhì)。第一性原理計(jì)算結(jié)果顯示ZnO分子在石墨烯表面沉積時(shí),Zn原子首先與石墨烯中的C原子結(jié)合,Zn原子的最外層電子轉(zhuǎn)移到石墨烯表面,并形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵。其次,研究了金納米顆粒對(duì)Au/ZnO/sapphire和ZnO/Au/sapphire兩種三明治結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能的調(diào)控。結(jié)果顯示:兩種結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光都得到了增強(qiáng),可見發(fā)光得到了抑制,并且熒光發(fā)光隨著Au顆粒濺射時(shí)間的不同而改變。電磁場模擬結(jié)果顯示局域表面等離子體共振能夠增強(qiáng)ZnO內(nèi)部325 nm入射光的電場強(qiáng)度,進(jìn)一步造成導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴復(fù)合速率的增加。因此,紫外峰得到了增強(qiáng)。而可見光變?nèi)踔饕怯捎赯nO缺陷中的電子流入Au的費(fèi)米能級(jí),造成了缺陷能級(jí)中電子數(shù)的減少。接著,采用在Zn O薄膜的表面單層密鋪透明介電微球顆粒的方法,使ZnO薄膜的紫外發(fā)光最大增強(qiáng)13倍,而且該方法對(duì)ZnO襯底具有非選擇性。使用基于時(shí)域有限差分法的電磁場軟件模擬了透明微球增強(qiáng)ZnO熒光發(fā)光的機(jī)理,結(jié)果顯示:在薄膜表面沒有微球陣列的情形下,只有傳導(dǎo)波能夠在遠(yuǎn)場被探測到,而倏逝波由于全內(nèi)反射作用而被限制在近場范圍內(nèi);當(dāng)薄膜表面鋪有單層微球陣列時(shí),由于微球的聚焦作用,傳導(dǎo)波被重新定向沿著光軸方向,這就相當(dāng)于增加了物鏡的NA值從而提升了遠(yuǎn)場探測效率;同時(shí)由于微球的固體浸沒透鏡效應(yīng),一部分具有低波矢的倏逝波能夠轉(zhuǎn)換成傳導(dǎo)波從而被遠(yuǎn)場探測;另一部分倏逝波會(huì)進(jìn)入微球從而激發(fā)回音壁模式,考慮到光散射發(fā)生在微球的粗糙表面上,部分回音壁模會(huì)從微球中泄露出去。這幾方面的效應(yīng)共同增強(qiáng)了單層密鋪微球ZnO薄膜的紫外熒光。最后,討論了不同激光能量密度和不同氣氛下激光輻照對(duì)ZnO薄膜電導(dǎo)率以及光致發(fā)光性能的影響,以及激光輻照對(duì)ZnO單晶和Ga:ZnO(GZO)單晶的影響。通過分析熒光和UV-VIS光譜,發(fā)現(xiàn)激光輻照后ZnO薄膜的禁帶寬度變小。室溫紫外熒光光譜是由FX和中性施主束縛激子(D0X)和中性施主束縛激子的一階聲子伴線(D0X-1LO)三部分組成。ZnO薄膜的可見光熒光可以歸屬于帶一個(gè)正電氧空位VO+、鋅空位VZn、氧填隙Oi和帶兩個(gè)正電氧空位VO++。采用高斯線形對(duì)不同氣氛下激光輻照ZnO薄膜的光致發(fā)光譜進(jìn)行了擬合,并對(duì)位于3.31、3.28、3.247和3.1 eV附近的發(fā)光峰進(jìn)行了歸屬指認(rèn)和機(jī)理分析。激光輻照后ZnO薄膜的載流子濃度上升了2個(gè)數(shù)量級(jí),載流子遷移率上升了1個(gè)數(shù)量級(jí),電阻率下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)。采用257 mJ/cm2準(zhǔn)分子激光輻照后,ZnO單晶的結(jié)晶質(zhì)量變化不大,表面沒有出現(xiàn)明顯的裂紋,電阻率下降了2個(gè)數(shù)量級(jí),載流子濃度上升了1個(gè)數(shù)量級(jí),輻照后ZnO單晶的紫外發(fā)光得到了增強(qiáng),可見光發(fā)光變?nèi)�。通過改變激光脈沖數(shù)可以有效地調(diào)控ZnO單晶的發(fā)光顏色。采用248 nm準(zhǔn)分子激光輻照GZO單晶,光電性能基本沒有變化。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN304.21

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本文編號(hào)：2802179