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在本文中,我们将飞秒激光聚焦到置于水溶液中的Ⅱ-Ⅵ族半导体靶材料上。当激光能量密度大于消融阈值时,研究了从靶材料表面消融出的纳米结构的形貌及其光学特性,同时对激光诱导的靶材料表面结构特性进行了分析。
首先,利用飞秒激光消融法在水中制备了CdS纳米晶。实验中我们发现,当激光能量密度稍大于消融阈值时,能够制备出粒径小的、分布均匀的、稳定的CdS纳米晶。而且通过调节激光能量密度可以方便地改变纳米材料的尺寸。然而,随着激光能量密度的增加,所制备的CdS纳米晶呈现出不同的特点。我们研究了不同条件下所制备CdS纳米晶的形貌及其光学特性,并在此基础上讨论了消融过程中可能存在的机制。
其次,我们利用飞秒激光消融法在水中制备了Cu2+、Mn2+掺杂的Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶,其中包括ZnS∶Cu、ZnSe∶Cu和ZnSe∶Mn。我们对ZnS∶Cu纳米晶的制备过程及光学特性进行了详细的分析。通过调节飞秒激光的能量密度,我们制备了不同尺寸的ZnS∶Cu纳米晶。所制备ZnS∶Cu纳米晶的XPS谱和XRD谱表明在阈值附近的消融过程中纳米材料与体材料具有相同的成分和结构。
另外,我们从靶材料、激光及背景溶液三个方面系统地分析了可能影响纳米材料制备的各种因素。通过实验,我们得出纳米材料的成分和结构与靶材料(体材料)的成分以及结构有着直接的关系。激光脉冲宽度、激光波长、聚焦光斑大小、激光入射角度等参量的变化对材料消融的效率以及纳米材料的粒径分布也有直接的影响。在不同背景溶液中所制备纳米材料的稳定性以及光学性质有着很大的差异。
在以上的研究基础上,我们优化了激光参量在水中制备出了均匀的、稳定的、小于4 nm的CdS、ZnS∶Cu、ZnSe∶Mn、ZnSe、CdSe、ZnSe∶Cu、ZnS纳米晶。在室温下可得到各种材料较窄的、对称的光致发光谱,波长范围可从370 nm到650 nm。这些特点使其在荧光标记领域具有潜在应用价值。
最后我们研究了飞秒激光在水中诱导的CdS、ZnS∶Cu和ZnSe靶材料表面结构。我们对激光扫描的靶材料表面区域以及熔坑壁的不同区域进行了观察。实验中发现在CdS、ZnS∶Cu的激光作用区域形成了一些周期性表面微结构,如条纹、亚微米圆柱。另外在ZnSe熔坑壁表面还观察到了形状规则的但排列无序的亚微米立方柱。我们对实验中不同表面结构的形成机制给出了相应的解释。