氧化锌/石墨烯复合回音壁模微腔受激辐射研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种直接带隙、宽禁带半导体材料，其禁带宽度约为3.37 eV、室温下激子束缚能高达60 meV，这使得ZnO成为短波长光电功能材料与器件的重要候选者。近年来，关于ZnO紫外激光的研究揭示了回音壁模(whispering gallery mode，WGM)激光高品质因子和低阈值的特点，引起了科学界的广泛关注。尽管ZnO微米棒、纳米线等具有天然的六边形截面结构，有利于形成WGM激光，但是随着腔体尺寸的减小，其光学损耗也是不可避免的。因此，如何减小微腔的光学损耗，降低激射阈值和提高激光的强度及品质因子，就成为一个很有意义的研究课题。大量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，然而金属表面等离子体的不易调控及较大的欧姆损耗严重限制了它的应用。石墨烯，作为材料领域的一颗新星，以其独特的物理、化学及光学性能引起了人们的广泛关注。石墨烯类金属的特点使其具有表面等离子特性，而且石墨烯表面等离子体可以通过掺杂及电压调控等方式进行调节，有着更广泛的应用前景。目前关于石墨烯表面等离子体的研究大多集中于太赫兹领域，其在紫外的响应研究较少。极少的关于石墨烯紫外响应及其增强ZnO材料发光的研究也存在机理解释不清楚、缺乏关于石墨烯表面等离子体与ZnO发光耦合的直接实验证据。针对上述问题，我们利用气相传输法制备了ZnO微腔（微米棒、微米带及亚微米尺寸的微米棒等），利用CVD方法制备了高质量单层石墨烯样品，以单层石墨烯覆盖ZnO微腔，制作了复合微腔结构，主要研究了以下三方面的内容:
　　1、以单层石墨烯覆盖ZnO微米棒，制作了石墨烯/ZnO微米棒复合WGM微腔。从理论和实验两方面研究了石墨烯表面等离子体对ZnO的光场限域和荧光增强现象。利用时间分辨光谱技术研究了石墨烯表面等离子体和ZnO激子之间耦合的动力学过程，研究结果表明石墨烯表面等离子体能显著提升ZnO激子复合效率，进而增强ZnO发光。在功能应用上，石墨烯包覆的复合微腔相对于原来的ZnO微腔在激光性能上得到明显改善。该研究为石墨烯表面等离子的紫外响应提供了直接的实验证据。
　　2、以ZnO微米带为基础，研究了微米带中F-P激光的产生机制。在紫外光(325 nm)激发下，微米带矩形截面两侧发出明亮的蓝紫色光，为微米带中F-P激光产生提供了直接的实验证据。利用石墨烯表面等离子体对光场的限域，减少了界面处的光学损耗，使得F-P激光性能得到明显改善。
　　3、在系统研究ZnO WGM激光与微米棒直径之间关系的基础上，在亚微米(600 nm)尺寸的微米棒中实现了单模激光。利用石墨烯表面等离子体对光场的限域，大大减小了微腔的光学损耗，使得石墨烯包裹的复合微腔单模激光性能得到明显改善。该单模激光有望在光电子集成、微区光度计以及超灵敏化学生物传感器等领域得到广泛应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 ZnO相关性质概述与研究背景介绍

1．2 ZnO晶体结构特征和ZnO微纳米结构的制各方法

1．2．1 ZnO晶体结构特征

1．2．2 ZnO微纳米结构的典型制备方法

1．3 ZnO能带结构和发光机理

1．3．1 ZnO的能带结构

1．3．2 ZnO的光学性质

1．4 光泵浦ZnO微纳米结构中的紫外激光

1．4．1 ZnO随机激光

1．4．2 ZnO F-P激光

1．4．3 ZnO WGM激光

1．6 石墨烯的研究背景和相关性质简介

1．7 石墨烯表面等离子体

1．7．1 金属表面等离子体简介

1．7．2 金属表面等离子体增强ZnO发光研究

1．7．3 石墨烯表面等离子体及其增强ZnO发光研究现状

1．8 论文的选题依据与研究内容

第二章 ZnO微纳米结构及石墨烯材料的制备与表征

2．1 ZnO微米棒的制各及表征

2．2 ZnO微米带的制备及表征

2．3 石墨烯的制备

2．4 石墨烯的转移

2．5 石墨烯材料的表征

2．6 实验设备及方法

本章小结

第三章 石墨烯增强ZnO WGM激光研究

3．1 ZnO微米棒及石墨烯／ZnO复合微腔的制备

3．2 石墨烯对ZnO光场分布影响的理论研究

3．3 石墨烯对ZnO WGM激光影响的实验研究

本章小结

第四章 石墨烯／ZnO复合微腔中等离子体耦合的F-P激光增强研究

4．1 ZnO F-P微腔及石墨烯／ZnO复合微腔的制备

4．2 石墨烯表面等离子体与ZnO光场耦合的理论研究

4．3 石墨烯增强ZnO F-P激光的实验研究

本章小结

第五章 亚微米尺寸ZnO微米棒中单模WGM激光的实现与增强研究

5．1 ZnO微腔及石墨烯／ZnO复合微腔的制备

5．2 实验过程、结果及讨论

本章小结

第六章 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