氧化锌微纳米结构中回音壁模受激辐射研究

摘要

ZnO具有3.37eV宽直接带隙和60meV强激子束缚能，这决定了ZnO在紫外光电器件领域具有广阔的应用前景。ZnO微纳米材料可以通过制备方法的调节呈现丰富的形貌，并展现出独特的光电特性。目前国内外众多研究小组已经将ZnO微纳米材料成功应用于场发射显示器件、紫外发光二极管、紫外激光器、太阳能电池、传感器和纳米材料发电机等领域。众多文献报道了ZnO微纳米结构中的受激辐射现象，这些研究结果表明ZnO微纳米结构可以用于构筑紫外微纳激光器。然而如何设计高品质的ZnO微纳激光腔，以及如何制备有效的ZnO微激光二极管是研究人员目前面临的主要难题。
　　本文旨在制备能够产生高品质因子微激光的回音壁模氧化锌腔体结构，在室温条件下研究光泵浦ZnO微腔中的回音壁模光学现象，对其中的激子极化激元、紫外受激辐射及非线性光学现象进行系统深入的讨论。并进一步设计ZnO基异质结发光二极管与激光二极管，实现电泵浦的回音壁模紫外激光。本论文的主要内容如下：
　　1.利用气相传输法和水热法制备了可用于回音壁光学微腔的六边形ZnO微纳米棒、微纳米钉和十二边形ZnO微米棒等结构。利用XRD、TEM、HRTEM、SAED等实验手段揭示了结构特征和生长机理。利用micro-PL和CL等技术对十二边形ZnO微米棒的微区光谱进行了系统测量，对其中的激子-激子相互作用、激子-光子耦合等光学现象进行了研究。
　　2.首次在室温条件下实现了六棱柱ZnO微腔中模式清晰的单光子泵浦回音壁模紫外受激辐射，系统研究了腔体尺寸对激光波长、模式间距、品质因子及受激辐射阈值的影响，并且研究了回音壁腔体中激子－光子耦合生成激子极化激元的过程。通过空间光强分布测量，首次实验验证了正六边形回音壁模激光理论。
　　3.首次报导了ZnO正十二边形微米棒中的回音壁模受激辐射现象，该微腔呈现出比正六边形微腔更高的品质因子和更低的受激辐射阈值，并且实现了高浓度载流子条件下电子-空穴等离子体受激辐射的产生。对比正六边形和正十二边形微米棒中的受激辐射行为，验证了正多边形微激光腔体的理论。
　　4.利用高强度的红外飞秒激光脉冲泵浦ZnO微米钉和微米棒，系统研究了其中的双光子荧光、三光子荧光和四光子荧光。对单根ZnO微米棒进行激发，实现了回音壁模二次谐波、三光子和四光子受激辐射。
　　5.利用p型GaN作为衬底，水热法制备了p-GaN/n-ZnO纳米棒异质结，其后在n-ZnO纳米棒表面修饰CdTe量子点，利用该器件中的ZnO蓝紫色电致发光和CdTe量子点光致发光，实现了白光辐射的异质结二极管。在此基础上，采用自下而上的p-n结制备方法，将ZnO微米棒集成在p型GaN衬底表面，利用ZnO微米棒的回音壁模光学微腔结构，实现了p-GaN/n-ZnO微米棒回音壁模微激光二极管原型器件。在ZnO微米棒和GaN之间引入Zn薄膜后进行退火形成ZnO，优化了p-n结接触效果，通过调节ZnO微腔的尺寸，实现模式可控的电泵浦回音壁模受激辐射。