室温下钙钛矿半导体微腔内激子光子相互作用的研究

摘要

激子（Exciton)是一种准粒子，是半导体受到光的激发后电子吸收光子从价带向导带跃迁，由于没有吸收到足够的能量，导致电子没有到达导带，而是处于禁带中的某个能级，从而和处于价带的空穴之间有着库仑力相互作用束缚在一起的一种电中性系统。而激子效应是半导体中的激子与外部的光子发生的强烈相互作用，产生的一种非线性效应。激子与光子组成的激子极化子（Exciton polaritons）因为有着非常独特的性质而引起人们的关注。目前半导体激子效应的研究主要是在低温的条件下进行的，因为大多数半导体材料的激子束缚能较小从而在常温下激子由于热运动而分解，这样就极大地限制了激子效应的应用。在本文中我们主要研究的室温条件下微腔中的激子极化子的相关特性，主要的研究对象是激子极化微腔（Microcavity Exciton-polaritons），强调的是新材料在室温下的激子效应。本文中的激子极化微腔的设计结构是分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR）组成的半导体微腔中间夹着二维钙钛矿介质的模型。由于DBR的传输特性是对一定波长范围的光表现极高的反射率，我们用于组成半导体微腔来对广场进行限制。由于光场的局域化，钙钛矿中的激子和半导体微腔中的光子就会发生强烈的相互作用，从而使光谱发生相应的变化，我们通过光谱的测量来观察激子效应的现象。本文中DBR的设计是利用传输矩阵的原理在MATLAB软件上进行数值仿真来实现的。在设计中通过对不同折射率材料的选取、材料周期数的选择和各层材料厚度等参数的调整来获得对所需波长有着超高反射率的DBR结构。本文中按照所设计的DBR结构，利用电子束蒸镀的工艺制备出了DBR器件，通过反射光谱的测量后验证了设计的正确性。由于钙钛矿材料有着自组装的特性，均匀致密的钙钛矿在实验上难以制备。在本文中我们提出将聚氧化乙烯（Polyethylene oxide,PEO）和钙钛矿按照一定比例溶合，将混合溶液通过旋涂、退火等材料制备工艺进行处理，得到了均匀致密的钙钛矿薄膜。本文中激子极化微腔通过电子束蒸镀的半导体工艺进行制备，由于组成微腔的上层DBR的制备工艺比较困难，而且蒸镀时的高温也会损坏钙钛矿薄膜。我们提出利用铝膜来代替DBR的方法，并且最终成功制备。在本文中我们通过测量钙钛矿的吸收谱来验证在室温下钙钛矿薄膜是否存在激子，利用角度分辨光谱的测量来验证激子极化微腔中的激子效应。本文在室温条件下观察到了光谱中的反交叉现象，这意味着在激子极化微腔中有着强耦合的发生，也就意味着激子效应的存在。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源、背景及其意义

1.2 激子效应与钙钛矿材料简介

1.3 激子极化微腔的研究现状

1.4 本论文主要研究工作

第2章 激子极化微腔的设计及表征方法

2.1 引言

2.2 分布式布拉格反射镜（DBR）的原理与设计

2.3 激子极化微腔系统的原理与设计

2.4 激子效应的光学测量与表征方法和原理

2.5 本章小结

第3章 激子极化微腔的制备

3.1 引言

3.2 多层反射膜的制备

3.3 钙钛矿晶体薄膜的制备

3.4 微腔整体的制备

3.5 本章小结

第4章 激子极化微腔的光学测量与分析

4.1 引言

4.2 DBR反射率的测量

4.3 钙钛矿薄膜的透射光谱测量

4.4 角度分辨反射光谱测量光路的搭建以及测量

4.5 角度分辨受激发射光谱测量光路的搭建以及测量

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间所获得的研究成果

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致谢