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一维纳米材料是构建微型集成器件最基本的单元模块,它即可以充当单独的单元器件,又可以作为单元器件之间的联结线。特别是这种一维半导体纳米结构是制作纳米激光器的天然载体,ZnO,CdS和CdSSe等一维单晶结构的激射现象都得到了报道。但是,一维纳米结构还有很多新奇的发光性质有待探索。掺杂一直是发光半导体材料的重要课题,对掺杂半导体纳米结构的性质的研究有着重要的实际意义,特别是对微量掺杂的ZnO纳米线的受激发射研究可以很好的促进ZnO在紫外发光方面的应用;另外,一维SnO2纳米线作为透明的电极材料以及超高的气敏性,一直被广泛研究,但对它的发光性质研究很少,特别是作为超宽带隙的半导体材料理应在紫外发光方面有所应用;三元的合金材料同样有着广泛的研究意义,因此我们主要对一维半导体纳米结构的发光性质,特别是受激发射特性进行了研究。
在本论文中,通过高温化学还原辅助的物理气相方法合成了掺锰的ZnO纳米线、SnO2纳米线、CdSSe纳米带/纳米线,其中ZnO纳米线掺入了不同浓度的Mn(II)离子。利用扫描电子显微镜,X射线衍射以及喇曼光谱,表征了这些纳米结构的形貌和结晶体情况,重点研究了它们的发光特性,以及高功率激发的受激发射性质;考察了各种纳米线受激发射的物理机制以及呈现的规律性;从理论上分析了各种纳米线的受激发射的不同点和共同点。
对于纯的ZnO纳米线,实现了没有缺陷态发射低阈值的受激发射,发射过程主要来源于激子—激子散射,更高激发下形成电子空穴等离子体的复合发光,从而产生多模的激光发射;对于掺锰的ZnO纳米线的受激发射,不同的掺杂浓度呈现不同的发射特点,在较低掺杂的情况下,同时出现了自由激子发射带和2LO声子辅助的发射带,并且,合适的条件下产生了类似波色凝聚的超锐利发射,微量的Mn的掺入增强了2LO声子和激子的耦合,在一维空间里形成了稳定的2LO声子-激子复合体。在飞秒脉冲的激发下,超锐利的受激发射发生在2LO声子辅助的自由激子发射带上,而此时,弱激发下同时存在的自由激子复合发光带变弱甚至消失了,通过共振和非共振拉曼散射实验证明了掺锰ZnO纳米线中存在着更强的电声子耦合,发现在适当的掺杂浓度下,Mn的掺入会大大提高激子声子的耦合强度,导致受激发射发生在2LO声子辅助的发射带上;在较高浓度的掺Mn的ZnO纳米线中,多模的受激发射占据主导地位,它们来自于受限空间的电子空穴等离子体复合机制,较多的掺杂破坏了LO声子和激子的耦合,也使得电子空穴的解离变的容易,从而强激发下形成了等离子体。因此,掺杂可以大大地改变电声子耦合,影响纳米线的发光行为,这为调制纳米结构的发光提供了一种手段。
通过ZnO纳米线的受激发射的研究,发现了ZnO在实现受激发射过程的一些规律和特点。通过对ZnO纳米线中绿光发射和紫外发射之间的态密度及载流子弛豫上的差异分析,解释了为什么较强缺陷态发射的存在,没有影响紫外发射实现受激发射。虽然绿光发射消耗了一些激发态载流子,但是增加激发功率就很容易观察到受激发射以及F—P模式。通过对各种多模发射的研究得到了纳米线中多模发射的规律和特点,并给出了这些规律产生的内在机理。对多模发射的分析有利于纳米激光器件的制作和优化设计。
在高功率激发下,SnO2纳米线实现了受激发射,这是首次在禁戒跃迁的直带隙半导体纳米线中观察到这种发射。这与纳米线上微结构产生的大量的弱束缚激子密切相关,反射谱给出了在纳米线中的这些态,荧光谱证明了这些浅束缚态和深束缚态的存在,这种受激发射的形成被归因于浅束缚态的巨振子效应。SnO2纳米线中的受激发射将有利于从理论上理解这种化合物的带隙结构及其应用。
另外,研究了具有较多缺陷的合金CdSSe纳米线在不同激发能量下的荧光变化情况。不同于结晶度较好的纳米线的锐利受激发射,在这种些存在多相的纳米线结构中,观察到了受激发射具有宽带的特性,其来源于电子—空穴等离子体的复合。