几种一维半导体纳米发光材料的合成及光子学性能研究

摘要

本文合成了几种一维纳米结构,比如分枝纳米异质结、分枝纳米同质结、掺杂微纳结构、合金纳米结构、阵列纳米结构等;对所合成的纳米结构进行相应的形貌、成分、结构表征;并采用拉曼光谱、发光光谱、紫外一吸收光谱、扫描近场光学显微系统等研究了其发光学、光子学性能,主要内容体现于以下几个方面:
　　 1.通过二次生长过程,以ZnS纳米线为模板,合成多种分枝纳米结构,如ZnxCd1-xS-CdS(0＜x＜1)分枝纳米异质结、六重对称CdS-CdS分枝纳米同质结、六重对称ZnS-ZnO纳米异质结。研究发现:在不同的合成条件下,主干ZnS的组分既可以保持不变,也可以逐渐转化为ZnxCd1-xS合金,甚至完全转化为CdS;所得到的这种分枝纳米异质结构在实现分支CdS的带隙发光(504纳米)的同时,还可实现主干在337～504纳米范围内的可谐调发光。此外,六重对称ZnS-ZnO纳米异质结也集成了ZnS和ZnO的功能;六重对称的CdS更是具有独特的光波导特性。
　　 2.通过化学气相沉积法得到多种掺杂的微纳结构,如Sn(Ⅳ)掺杂的CdS微纳结构、Mn(Ⅱ)掺杂的ZnSe纳米结构、In(Ⅲ)掺杂的ZnTe纳米结构。研究发现:Sn掺杂的CdS一维微纳结构显示了较强的缺陷态发光,而且在不同的掺杂浓度下,这些缺陷态显示了规律性的1LO、2LO、4LO声子辅助发光,说明了掺杂结构中的多声子过程和非线性激子(电子)-声子耦合作用;Mn(Ⅱ)掺杂的ZnSe纳米结构易产生非规则纳米晶体结构,同样是缺陷态发光(多峰)占主导地位;通过对发光峰的mapping发现在这种非规则纳米结构中可能形成与纳米线不同的局域模-回音壁模式;由于拥有短冷却时间和快辐射复合过程,其带边态辐射复合在脉冲激光激发下,可克服晶格束缚重新占据主要地位,甚至可产生受激发射,但这种激射与F-P模不同;然而缺陷态的冷却时间较长、辐射复合过程缓慢,因此即使在高功率的脉冲激光激发下,仍保持自发发射。不同的In(Ⅲ)掺杂浓度导致不同的束缚态,因此,高纯的ZnTe纳米结构和1.15％掺杂浓度的In-ZnTe纳米结构、1.86％掺杂浓度的In-ZnTe纳米结构,可分别实现绿光、红光、近红外光发射。
　　 3.利用管式电阻炉的温度梯度特性,在单一基片上同时生长了具有不同组分的CdSxSe1-x合金纳米线。沿着基片的长度方向,这些合金纳米线的发光波长从498～692纳米范围内可调,而且,在高激发功率条件下,这些纳米线产生受激发射,激射范围为503～692纳米,这是首次实现如此大范围的可谐调半导体纳米线激光器。这种集成化的多元合金纳米结构可望用于红-绿-蓝光显示器、白光光源、全谱带太阳能电池等。
　　 4.通过热蒸发法合成一维SnO2纳米带和纳米线并进行一系列的光学研究。研究发现:纳米线含有的缺陷态比纳米带多,因此其束缚激子的能力更强;在连续激光器激发下,SnO2纳米结构只有缺陷态发光;但在脉冲激光激发下,这些纳米结构显示了不同强度的近带边束缚激子发光,在飞秒脉冲激光的高激发功率下甚至实现了受激发射,并且纳米线激射阈值比纳米带更低,产生受激发射的机理可认为是激子-声子耦合作用和大量束缚激子的形成;共振拉曼光谱也证明了激子-声子的强耦合作用和多声子过程。
　　 5.通过化学气相沉积法,在不同的生长条件下合成多种ZnO纳米结构:如四角锥结构、纳米梳结构、纳米阵列结构。结果发现:这些纳米结构的形貌与生长条件密切相关,同时发光性能也与合成过程紧密相连:纳米四角锥和纳米梳结构的发光质量较高而纳米阵列结构的发光质量则稍差。