基于银纳米线包覆的氧化锌微米线的高性能紫外发光器件研究

摘要

氧化锌（ZnO），作为第三代半导体材料的重要代表，其带隙宽度在室温下为3.37eV，激子结合能为60meV，不仅具有丰富的微纳米结构、较高的晶体质量，还有着光学特性和电子输运能力优良、光学增益性能优异以及化学稳定性良好等特点，是构筑小单元以及微型可集成的半导体光电器件最为理想的材料之一。然而，器件结构中存在的金属损耗、载流子注入率低以及材料间能带结构的不匹配等问题始终制约着半导体光电器件的发展。近年来，随着表面等离激元光子学研究的兴起，金属纳米结构所具有的将光限制在亚波长范围并产生强局域电磁场的能力，能有效解决载流子的注入问题，被认为是?高半导体光电器件性能的最有效策略之一。基于此，本论文通过在结构设计中引入具有显著紫外表面等离激元特性的Ag纳米线（AgNWs），分别构筑了基于单根ZnO微米线和Ga掺杂的ZnO（ZnO:Ga）微米线的高性能紫外发光器件，研究内容主要包含以下几个方面：　　（1）以Ag纳米线包覆ZnO微米线，实现高性能WGM激光。以具有高结晶质量的六边形ZnO微米线作为光学微腔，采用旋涂（spin-coating）的方法，将Ag纳米线沉积在ZnO微米线表面，构筑AgNWs@ZnO微米线的复合结构，研究了Ag纳米线包覆对单根ZnO微米线光学特性和电学特性的影响，并使用飞秒脉冲激光束对其进行了泵浦激发。得益于Ag纳米线表面等离激元对激发光场的有效限域与耦合增强，激光阈值明显降低，实现了基于单根ZnO微米线的高性能WGM激光；　　（2）基于单根ZnO:Ga微米线构筑异质结高性能紫外发光二极管。构筑AgNWs@ZnO:Ga微米线的复合结构，研究了Ag纳米线不同包覆密度对ZnO:Ga微米线光学特性和电学特性的影响。此外，以p-GaN作为空穴注入层，构筑了n-ZnO:Ga微米线/p-GaN的异质结发光二极管，研究了Ag纳米线不同包覆密度对器件发光特性的影响。得益于Ag纳米线表面等离激元与ZnO激子发射间的共振耦合，实现了以ZnO近带边发射为主导的单根ZnO:Ga微米线异质结基高性能紫外发光二极管；　　（3）基于单根ZnO微米线构筑电驱动的高性能激子-极化发光二极管。在上述实验基础上，优化结构设计，构筑了基于单根ZnO微米线的电驱动激子-极化发光二极管。此外，采用Ag纳米线对ZnO微米线进行表面修饰，研究了Ag纳米线包覆对器件激子-极化发射的影响。得益于Ag纳米线表面等离激元对ZnO微腔中激子-光子强耦合作用的有效促进，在相同注入电流下器件光发射的增强比超过5倍，激子-极化发射明显增强，对应的Rabi分裂能（~495meV）远高于Ag纳米线修饰之前（~370meV），成功实现了单根ZnO微米线异质结基高性能激子-极化发光二极管。

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