半导体及量子点线的超快速激光光谱研究

摘要

半导体及量子点线结构具有表面效应和量子尺寸效应等基本物理性质，使得这些材料在光电信息领域，生命科学领域医学领域和基础物理研究领域占有举足轻重的地位。用超快速激光光谱手段研究半导体及量子点线材料，一方面提供了辐射在半导体中产生、传播、湮没、散射及其在界面处的行为的规律，另一方面又提供了半导体电子能带结构、声子结构、束缚和自由载流子行为等最基本物理性质、物理参数的信息，而且用非相干的时间分辨超快速激光光谱学方法研究半导体及量子点线材料可以获得这些材料里受激发的电子和空穴辐射复合的瞬态动力学行为。这些研究对于揭示半导体及量子点线结构中的物理规律及其在上述各个领域的应用具有重要意义。本文的主要结果如下： 1.本文首次研究Zn<,x>Mg<,1-x>O和ZnO：Al中Mg替代浓度和Al掺杂对激射性质的影响。用光谱学方法研究了生长在a-篮宝石(1120)基底上的ZnO，Zr<,x>Mg<,1-x>O和ZnO：Al外延膜的受激发射特征。从Zn<,0.78>Mg<,0.22>O中观察到光子能量高达3.51 eV的激射，是迄今为止的有关ZnO系列材料的报道中最高光子能量的激射。研究发现Mg替代浓度灵敏地改变带隙宽度及受激发射峰的光子能量(频率)，对发光效率影响较小，因此Mg替代可以用作调节改变材料的响应波长(尤其短波长的UV发光器件)的有效手段。而Al掺杂几乎没有改变受激发射的光子能量却显著的降低受激发射效率，它的主要作用是引入了缺陷增加了导电性，使ZnO：Al能用于透明导电电极和UV光检测器件。 2.对SnO<,2>纳米线进行了真空和氧气氛下在600℃退火1小时的后处理，用扫描电子显微镜，X-射线粉末自动衍射仪，显微共焦拉曼光谱仪，透射电子显微镜和选择区域的电子衍射表征了它们的形貌和组成。实验观察到真空退火处理后的SnO<,2>纳米线里出现SnO的电子衍射图样和显微拉曼光谱位移，即在真空退火处理后的SnO<,2>纳米线中SnO和SnO<,2>共存。研究了在弱光激发下SnO<,2>纳米线在真空和氧气氛下退火后的光致发光特性以及强激光激发条件下的时间积分和时间分辨的光致发光性质。我们的光谱实验结果，尤其是激发强度依赖的特异的实验结果，说明了这种SnO和SnO<,2>共存的结构中存在SnO/SnO<,2>微异质结及其二维电子气特性。实验结果说明2.32 eV(535nm)左右的发光与SnO表面结构密切相关。 3.研究了Au-Ag合金催化剂对SnO<,2>纳米晶生长的影响。发现有Au-Ag合金催化条件下生长的SnO<,2>纳米晶的自由激子等短波长光发射得到大大的增强，缺陷和表面态发光比例下降。即催化剂提高了晶体的生长质量。 4.本文还研究了半导体In<,0.65>Al<,0.35>As/Al<,0.4>Ga<,0.6>As量子点阵列的时间积分和时间分辨光致发光光谱，观察到量子点的受限能级上的激子和多激子辐射复合的态填充效应(低激发密度下，激子态填充s壳层，高激发密度下，激子态填充p壳层的寿命比s壳层的长，而且p壳层辐射复合强度与激发强度是超线性关系)；首次在量子点阵列里观察到高于7 7 K的高温电子-空穴液滴，由于量子点的空间限制效应，电子-空穴液滴呈现出两个能态，其辐射复合表现出两个激发密度依赖的发射峰，光子能量分别为1.56 eV和1.59 eV。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2半导体及量子点线的基本内涵

1.3半导体及量子点线的应用前景

1.4半导体及量子点线的生长方法及功能器件的组装

1.5本文的研究背景，主要工作及创新点

参考文献

第二章半导体及量子点线的光致发光基本原理和超快速激光光谱研究方法

2.1半导体材料的能带理论基础

2.2半导体体材料的发光过程

2.3半导体体材料中的直接带间跃迁发光光谱

2.4半导体量子线和量子点的电子态

2.5半导体量子线和量子点的发光光谱

2.6衰减时间和超快速激光光谱学研究方法

参考文献

第三章ZnO，ZnxMg1-xO和ZnO：Al外延膜的激射特征

3.1氧化锌结构及发光光学性质

3.2 ZnO，ZnxMg1-xO和ZnO：Al外延膜生长和光学实验方法

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章SnO2纳米线的光致发光光谱研究

4.1 SnO2的基本结构及发光光学性质

4.2 SnO2纳米线的后处理和结构、组成表征

4.3 SnO2纳米线的光致发光光谱

4.4本章小结

参考文献

第五章催化剂对热蒸发法生长SnO2纳米晶体质量的影响及其发光光谱研究

5.1引言

5.2实验材料与方法

5.3实验结果与讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章半导体In0.65Al0.35As/Al0.4Ga0.6As量子点阵列的超快激光光谱研究

6.1半导体量子点中的量子态和光跃迁过程

6.2 In0.65Al0.35As/Al0.4Ga0.6As量子点的基本性质与研究现状

6.3 In0.65Al0.35As/Al0.4Ga0.6As量子点阵列的态填充光谱及其动力学行为

6.4 In0.65Al0.35As/Al0.4Ga0.6As量子点阵列的高温电子-空穴液滴的时间积分和时间分辨荧光光谱

6.5本章小结

参考文献

附录一：攻博学位期间完成的论文

附录二：致谢

附录三：原创性声明