ZnO/MgZnO单量子阱的能带重整化研究

摘要

主要研究了微纳结构的半导体材料ZnO/MgZnO单量子阱的光学性质，尤其是量子阱在强光激发下的室温光致发光谱随激发强度和阱宽的变化情况，并从中囊括出其能带重整化与激发光强度以及阱宽的关系，填补了人们对阱宽在2倍激子波尔半径(aB)左右的ZnO单量子阱微纳结构在强光激发下的能带重整化研究的空白。这些研究成果对于ZnO基半导体微纳光电器件的研发具一定的参考意义。
　　 本研究采用皮秒量级(25 ps)的脉冲激光激发样品，在室温下采用多色仪对样品的辐射光进行测量。在激发光强度足够强时，样品的载流子浓度超过了Mott浓度，其发光峰的能量位置随着激发强度的增大而出现连续的红移，得出电子空穴等离子体辐射的能量与载流子浓度的关系。
　　 在同一量子阱的不同阱宽处，通过分析时间积分光谱的峰值位置与激发光源的能量密度以及势阱宽度的关系，发现阱宽越大，其PL谱的红移也越大，然而红移量对阱宽的斜率却逐渐减小，当阱宽大于Zn0体材料的2aB时，红移量随阱宽增大逐渐呈现出饱和的趋势。这些现象揭示了量子阱的二维局域作用，阱宽越小，局域作用越强，电子空穴的波函数受到更大的压缩，相应地能带重整化受到的影响也越大，相反的，阱宽越大，局域作用就越弱；当阱宽在2aB左右时，量子阱的局域作用正好处于强弱的临界点，故其能带重整化在阱宽大于2倍激子波尔半径左右的时候就逐渐呈现出饱和的趋势。
　　 另外，通过对不同阱宽处的PL谱随激发强度的变化规律进行仔细的分析发现，在阱宽较小处，当激发强度逐渐增大时，其PL谱的峰位先向低能侧移动，继而向高能侧移动，呈现一个S形的变化规律。由于ZnO材料在制备过程中很容易因为各种因素造成的氧空位缺陷或氢等其他元素的掺杂，形成n型ZnO材料，故在分析其能带重整化的过程中除了要考虑电子空穴的多体效应带来的能隙收缩外，还必须合理的计算n型材料在高载流子浓度下的Burstein-Moss效应导致的能隙展宽。在载流子浓度超过Mott浓度而还未达到很高的浓度时，电子空穴的多体效应起主导作用，这时能隙的收缩随着激发强度的增大而出现连续的增大，具体情况是能隙收缩与载流子浓度的三次方根成正比关系；当载流子浓度远超过Mott浓度时，Burstein-Moss效应逐渐起主导作用，故量子阱PL谱的峰位随着激发强度的增大开始向高能侧移动。同时考虑这两种影响能带重整化的影响因素后对实验数据进行拟合，发现拟合结果与实验数据很好的符合，进一步说明了能带重整化是由电子空穴的多体效应以及Burstein-Moss效应这两种机理相互竞争作用的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 研究背景与意义

1.3 ZnO以及MgZnO合金的物理性质与研究进展

1.4 研究内容以及主要创新点

第一章 参考文献

第二章 理论部分

2.1 直接禁带与间接禁带材料

2.2 量子阱及其基本光学性质

2.3 电子—空穴间的多体效应

2.4 Mott相变与等离子体发光

2.5 Burstein—Moss效应

第二章参考文献

第三章 ZnO/Mg0.1Zn0.9O单量子阱的实验与结论

3.1 引言

3.2 实验目的与方案

3.3 实验样品和设备

3.4 实验结果与分析

3.5 实验结论

第三章参考文献

总结与展望

附录：攻读硕士学位期间的研究成果

致谢