表面等离子体增强氧化锌回音壁模微腔受激辐射的研究

摘要

氧化锌(ZnO)纳米材料作为第三代宽禁带半导体，具有宽禁带宽度和高的激子束缚能，分别为3.37eV和60 meV，是纳米科技前沿的研究内容，这一重要特性使其成为短波光电材料与器件的重要后备材料，也在低阈值、高品质因子的紫外激光器实现上体现出显著的优势。过去的十多年中，人们对这种半导体的紫外光电特性，尤其是激光特性给予了极大的关注。Science，Phys.Rev.Lett.，Adv.Mater.，Nano Lett.等顶尖刊物均对此作了大量报道。ZnO紫外激光的产生可归于三类振荡方式:一是基于颗粒界面散射，随机形成正反馈而得到的随机激光;二是基于微米棒等结构的端面反射形成F-P激光;三是基于微腔内壁全反射形成的回音壁模(WGM)激光。ZnO微纳米棒、管、碟等单晶结构单元具有很好的光学品质和较高的折射率，这保证了内壁全反射光学增益回路的有效形成，从而大大降低了光学散射与透射带来的损耗，能作为良好的回音壁模腔体。因此，WGM激光在微腔量子电动力学、光纤通讯、传感等领域有着重要的应用前景。已有很多相关报道显示ZnO WGM激光具有优良品质，并研究了其相应的物理过程和应用。如何提高激光的强度、减小微腔的光学损耗、降低激射阈值及品质因子，是一个很有意义的研究课题。
　　在上世纪80年代，局域表面等离子体共振(LSPR)首次应用于传感技术，自此表面等离激元获得了迅猛发展。经过二十年的发展，其研究内容已经涵盖光波导、表面增强拉曼光谱、等离激元-激子耦合、纳米开关、LSPR传感器、表面等离激元激光器、光热医疗、突破衍射极限的超分辨成像、光学逻辑运算和指数负折射率材料等等。近年来，随着微纳加工技术、纳米材料的制备技术、纳米近场表征技术和有效的电磁场模拟工具的发展，与表面等离子体激元相关的局域光学效应受到广泛重视、获得了快速发展、成为光学和器件研究的兴趣热点。2009年，M.A.Noginov和R.F.Oulton等人各自在Nature上发表了关于Au纳米颗粒和金属膜体系中的金属表面等离激元受激辐射放大现象，这引起了学者们的广泛关注，掀开了表面等离子体共振增强半导体材料受激辐射的研究热潮。目前，研究表明金属表面等离子体能显著增强半导体材料的光学性能，金属表面等离子体在增强ZnO微纳米材料的光致发光发面取得了巨大的进展。已有不少研究表明，将ZnO薄膜、纳米结构等与金属纳米粒子或适当的金属薄膜相结合，通过表面等离激元共振(SPR)效应，可大大增强ZnO本征的紫外发光。而利用表面等离子体共振效应增强ZnO受激辐射的相关研究工作相对较少，有待开展，是十分有意义的研究内容。本论文旨在将ZnO微纳米结构作为回音壁模微腔，利用不同金属纳米粒子的表面等离子体共振效应的优异特性实现ZnO受激辐射的增强，提高ZnO微纳米结构WGM多模激光和单模性能，探讨了Au、Ag、Pt三种金属纳米颗粒的LSPR效应对ZnO WGM微腔的不同的增强机理，为设计和实现高性能、高输出功率的紫外激光器奠定基础和提供技术支撑，为了解其中的物理机理提供深刻的科学认识和实验依据。主要研究了以下四方面的内容:
　　一、我们构建了ZnO微纳米管与金纳米颗粒的复合微腔，借助金纳米颗粒的LSPR效应同时实现了回音璧模激光的增强和ZnO缺陷发光的抑制，从而提高ZnO微纳米材料的紫外发光强度。我们通过一系列优化的溅射时间来调控金纳米颗粒尺寸和分布，从而使得金的消光峰与氧化锌缺陷峰达到最佳匹配程度，获得了10倍的最佳增强效果，同时缺陷光受到明显抑制。
　　二、实验中我们利用气相传输法制备ZnO微米梳，根据微米梳中相邻两齿间距离渐变的特点，构建了天然的耦合回音壁微腔，通过调控相邻两齿之间的空气隙大小，系统研究了其激光光谱行为和两齿之间的耦合相互作用。基于游标效应实现了耦合微米齿的紫外激光从多模到单模的演化。我们的研究为激光模式调控和实现单模激光提供了一种行之有效的方法。
　　三、我们在ZnO微米梳表面溅射不同时间的铂纳米颗粒，在最佳溅射时间为90s时，得到了17倍的紫外发射增强，进一步研究了ZnO微米梳中单根棒的WGM多模激光和耦合棒的单模激光，发现WGM多模激光和单模激光得到了7倍的增强，同时缺陷得到明显抑制。这有助于我们得到更高品质因子、更低阈值、更窄的半高宽和更高的边模抑制比的单模激光。
　　四、我们用气相传输法制备了ZnO四方微米棒和六方微米棒，用水热合成法制备了Ag纳米颗粒，用旋涂法将Ag纳米颗粒附着在微米棒上，发现了紫外回音壁模激光得到明显增强，进一步制备成Ag/ZnO/GaN结构的LED器件，发现LED紫外发光得到了10倍的增强，并且研究了它的紫外发光增强的机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 ZnO的基本性质与研究背景介绍

1．2 ZnO的晶体结构和能带结构

1．2．1 ZnO晶体结构特征

1．2．2 ZnO能带结构

1．3 ZnO微纳米结构的典型制备方法

1．3．1 气相法

1．3．2 液相法

1．4 ZnO微纳米结构中的紫外激光

1．4．1 ZnO的自发辐射与受激辐射机制

1．4．2 ZnO随机激光

1．4．3 ZnO F-P激光

1．4．4 ZnO回音壁模(WGM)激光

1．5 金属表面等离子体激元的概述及研究背景介绍

1．5．1 金属电磁场理论

1．5．2 表面等离极化激元和局域表面等离激元

1．5．3 表面等离激元应用

1．5．4 金属表面等离子体增强ZnO发光研究现状

1．6 论文的选题依据与研究内容

第二章 ZnO微纳米结构和金属纳米颗粒的制备与表征

2．1 ZnO微米管的制备及表征

2．2 ZnO微米梳的制备及表征

2．3 ZnO微米棒的制备及表征

2．4 各类金属纳米颗粒的制备及表征

2．4．1 Au纳米颗粒的制备及表征

2．4．2 Pt纳米颗粒的制备及表征

2．4．3 Ag纳米颗粒的制备及表征

2．5 实验设备介绍

2．5．1 样品制备平台

2．5．2 样品表征平台

2．5．3 光学测试平台

第三章 Au纳米颗粒增强ZnO微米管受激辐射的研究

3．1 引言

3．2 样品制备与表征

3．3 Au／ZnO WGM激光增强的实验研究

3．4 本章小结

第四章 ZnO微米梳中单模WGM激光的实现

4．1 单模激光的研究背景

4．1．1 单模激光的研究意义

4．1．2 单模激光的实现方法

4．1．3 单模激光的研究进展

4．2 实现单模激光的原理设计

4．3 ZnO微米梳中单模WGM激光的理论研究

4．3．1 单模激光的临界耦合距离

4．3．2 单模WGM激光的数值模拟

4．4 实现ZnO微米梳中单模WGM激光的实验研究

4．4．1 ZnO微米梳中多模WGM激光的耦含过程

4．4．2 双模WGM激光的实现

4．4．3 单模WGM激光的实现及调控

4．4．4 实现单模WGM激光的条件总结

4．5 本章小结

第五章 Pt纳米颗粒增强ZnO微米梳受激辐射的研究

5．1 引言

5．2 样品制备

5．3 Pt／ZnO梳中微米多模WGM激光和单模WGM激光增强的实验研究

5．4 结论

第六章 Ag纳米颗粒增强ZnO微米棒受激辐射及LED发光的研究

6．1 引言

6．2 样品制备与表征

6．3 Ag／ZnO微米棒受激辐射增强的实验研究

6．4 Ag／ZnO微米棒／GaN LED紫外发光增强的实验研究

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

读博期间发表论文及其他学术成果

致谢