飞秒激光脉冲诱导材料微结构

摘要

纳米尺寸的半导体材料在纳米科技领域已经受到越来越多的关注，氧化锌作为一种重要的Ⅱ-Ⅳ半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，而且具有很高的激子束缚能(60meV)，使得氧化锌在传感器，场发射，紫外激光二极管等方面成为一种关键性材料。特别是最近氧化锌纳米棒在室温下光致紫外激光的发现以及利用压电特性制作“纳米发电机”的研究极大的推动了制备高质量规则纳米结构的研究。近年来利用气相法和水热法在特定的生长条件下已经得到了如纳米梳，纳米环，纳米带，纳米线等多种纳米结构，但是在这种技术下很难得到规则可控的氧化锌纳米结构，因此如何制作形貌可控的氧化锌纳米结构成为问题的关键所在。本文利用飞秒激光脉冲在氧化锌晶体表面诱导出了规则的纳米结构，并研究了相关光电性质和形成机理，具体内容如下： 论文第一部分，首先介绍了国内外利用飞秒激光在不同材料上烧蚀诱导纳米结构的现状，综述了飞秒激光诱导纳米结构的特点与潜在应用。 论文第二部分叙述了飞秒激光诱导纳米结构的实验装置，利用飞秒激光脉冲在氧化锌晶体表面诱导出规则的纳米结构。对比了1kHz和250kHz飞秒激光系统诱导氧化锌纳米结构的不同。根据不同的辐照参数分别在点模式和线扫描模式下诱导出规则纳米结构，最终形成规则的纳米光栅。介绍了在不同烧蚀气氛对形成纳米结构的影响，对比空气中的结构，我们分别在水中和乙醇中分别诱导出不同的纳米结构，分析了不同烧蚀气氛下对形成结构的影响。 论文第三部分讨论了纳米结构的光电特性。根据形成纳米结构前后光致发光谱的变化，分析了发光谱中二次谐波对形成纳米结构的影响。实验结果显示，在800 nm 飞秒激光辐照下，氧化锌发光谱线除了在390 nm 激子．激子碰撞峰之外，还观测到了400 nm 的二次谐波产生现象，以及在520 nm 附近由于氧缺陷造成的绿光发射峰。通过对纳米结构的拉曼光谱分析，研究了辐照前后晶体晶格的变化，并根据对辐照区域的线扫描发现437cm<'-1>氧化锌指纹峰谱线强度呈现先下降后上升的变化趋势。 论文第四部分讨论了形成纳米结构的机理，根据以往提出的干涉模型、自组织模型、库伦爆炸模型建立了合适模型。根据辐照过程中的实时发光光谱的二次谐波，可以认为二次谐波在形成纳米结构过程中有非常重要的影响。论文第五部分利用飞秒激光对硼酸盐玻璃辐照，在硼酸盐玻璃内形成低温相与高温相偏硼酸钡晶体，详细讨论了飞秒激光诱导下硼酸盐玻璃的微结构变化。实验中利用Raman光谱首次观察到低温相与高温相偏硼酸钡晶体的分布规律，并分析了辐照条件和冷却条件对分布的影响。 最后对本文的主要工作和今后利用飞秒激光诱导纳米结构的发展方向做了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1引言

1.2飞秒激光脉冲与不同材料表面相互作用

1.2.1金属

1.2.2半导体

1.2.3电介质

1.3应用与发展前景

1.4本章小节

参考文献

第二章飞秒激光诱导氧化锌纳米结构

2.1实验系统

2.1.1飞秒激光及三维平台系统

2.1.2扫描电镜表征系统

2.2飞秒激光诱导纳米结构试验研究

2.2.1烧蚀阈值与累积系数的计算

2.2.2烧蚀孔表明形貌分析

2.2.3线扫描模式下飞秒激光诱导纳米结构

2.2.4线扫描纳米光栅

2.3不同烧蚀气氛下形成的纳米结构

2.3.1水中辐照氧化锌纳米结构

2.3.2乙醇中辐照氧化锌纳米结构

2.4本章小节

参考文献

第三章纳米结构的光电特性

3.1飞秒激光诱导纳米结构实时光谱研究

3.1.1实验设置

3.1.2实验结果分析

3.1.3结果讨论

3.2拉曼光谱分析

3.2.1实验设置

3.2.2氧化锌晶体的晶体结构

3.2.3Ramam光谱结果与讨论

3.3本章小节

参考文献

第四章飞秒激光诱导纳米结构机理分析

4.1主要物理模型与相互作用机理分析

4.2飞秒激光诱导氧化锌纳米结构机理分析

参考文献

第五章飞秒激光在玻璃中诱导晶体分布

5.1实验设置

5.2硼酸盐玻璃与偏硼酸钡晶体的结构与基团情况

5.2.1硼酸盐玻璃的结构和基团情况

5.2.2偏硼酸钡晶体结构及基元特征

5.3实验结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1主要结论

6.2工作展望

致 谢

硕士期间发表的论文和参与的科研项目