Al掺InSe纳米薄膜的制备及非线性光学性质研究

发布时间：2020-08-06 20:48

【摘要】：非线性光学材料的研究促进了非线性光学的发展和应用,通过合理设计并优化制备宽带响应、非线性强的非线性光学材料成为近些年来科研人员们的热门研究课题。纯InSe是一种优良的III-VI族半导体,因其具有高调制率、高非线性和超快的响应时间等特点而被广泛研究。众所周知,掺杂是一种可以优化提升材料光学非线性特性的有效方式。对比纯InSe材料,本文选用Al掺杂InSe纳米材料,提升了非线性吸收强度。同时,Al掺杂InSe材料具有宽带非线性响应、超快响应时间、大的反饱和吸收等特性,在宽带光限幅领域具有良好的应用价值。本文的研究内容如下:采用磁控溅射法制备并优化合成了Al掺杂InSe纳米薄膜。通过AFM和SEM表征得出Al掺杂InSe纳米薄膜表面致密平整、无裂缝。通过XRD表征得出Al掺杂InSe纳米薄膜为非晶体。EDS表征得出Al掺杂InSe纳米薄膜中的原子百分比和质量百分比。紫外-可见-近红外分光光度计表征结果表明Al元素的掺入导致InSe的带隙变宽,相应的带隙值分别为2.68 eV、2.53 eV、2.41 eV、2.34 eV。利用飞秒激光Z-扫描实验,对不同溅射功率下的Al掺杂InSe纳米薄膜进行多波段和不同能量的系统研究。得到在相同能量激发下,随着溅射功率增加,Al掺杂InSe纳米薄膜的非线性吸收增强;同时,同一溅射功率的Al掺杂InSe纳米薄膜,随着激光能量增加,非线性吸收增强。从实验数据中提取了样品的非线性吸收系数。结果表明Al掺杂InSe纳米薄膜中存在双光子吸收和自由载流子吸收,其中自由载流子吸收是由双光子吸收(价带)以及单光子吸收(掺杂能级)引起的。利用飞秒瞬态吸收谱测试方法,对2.5 W溅射功率Al掺杂InSe纳米薄膜的载流子恢复过程进行系统的研究。在泵浦光350 nm,探测光532~1064 nm波段激发下,得到三个载流子弛豫寿命分别为τ_1(1.85±0.35 ps)、τ_2(12.50±0.95ps)和τ_3(2.70±0.18 ns),并讨论载流子恢复机制。结合Z-扫描和瞬态吸收谱实验结果,对2.5 W溅射功率Al掺杂InSe纳米薄膜进行光限幅测试,得出在不同波段的光限幅阈值。本文的研究结果表明,Al掺杂提升了InSe材料的非线性吸收特性。Al元素的掺入使InSe材料的非线性吸收系数变大,对研究相关材料有一定的光物理意义。因其具有宽带非线性响应、超快响应时间、高线性透过率和低光限幅阈值等性质,在光限幅中有广泛的应用。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O437;TB383.2
【图文】：

本课题的研究背景及研究目的和意义随着现代科学技术的迅速发展，科学研究者们对于半导体材料的需求在不扩大。科研人员对半导体材料的研究已经不再局限于 Si、Ge、Se、B、Te、等单一类型的半导体，新型半导体薄膜材料的制备合成和非线性光学性质的已成为新功能材料等领域的研究热点。半导体材料的非线性光学性质在光件（例如光限幅器、光耦合器、全光开关等）领域具有良好的潜在的应用。III-VI 族元素构成的半导体化合物具有二维层状结构，因具有优异的半导料的特性，例如较强的光学非线性特性以及在光伏、光电效应、光电器件、型器件特别是非线性光学等方面都具有良好的应用价值。硒化铟（InSe）种性能优异的 III-VI 族化合物半导体，由于它具有高调制率、高非线性和的响应时间等特点[1]，而引起了人们的广泛关注。近几年 InSe 的层状结构 1-1）被广泛研究[2, 3]。通过研究发现，InSe 半导体材料相对于传统半导体的非线性特性并不突出，因此，如何提高 InSe 半导体材料的非线性特性成几年的研究热点。

l 元素是 InSe 材料的一种优良的掺杂剂，它能够促进激发态吸收，并增强的反饱和吸收。此外，Al 掺杂是一种调制 InSe 带隙结构从而可以实现非的宽带响应有效的方法。当可见光或者近红外光照射到 Al 掺杂 InSe 半导料上时，Al 掺杂 InSe 中的电子会吸收入射光子能量从而发生能带带间跃而表现出比较好的非线性特性。Z-扫描测量技术和瞬态吸收光谱测量具有方式多样、和样品之间没有接触、时间分辨率高等特点，是研究 Al 掺杂 I导体材料中非线性光学性质的有利工具[11]。.2 半导体材料的非线性性质研究.2.1 半导体能带理论本文研究的是 IIIA 族 Al 元素掺杂 InSe 纳米薄膜材料的光学非线性特性l 掺杂 InSe 纳米薄膜是一种具有窄带隙的直接带隙半导体材料。在我们所的 Al 掺杂 InSe 纳米薄膜材料中，可以用比较简单的由导带和价带构成的模型来解释材料内部产生的非线性机理。具体的能带示意图如图 1-2 所示

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文1.3.1 国外研究现状从上个世纪 90 年代开始，瑞士洛桑理工学院的 M. Gratzel 小组就对一些有机分子与金属硒化物纳米结构所构成的复合材料的光生载流子动力学特性进行了研究。从 M. Gratzel 等人该小组的实验结果中可以知道，有机分子中光激发的电子跃迁至金属硒化物导带间的载流子迁移过程是一个时间为 200 飞秒左右的超快过程[20]。2010 年，Mustafa Yüksek 等人研究了非晶 InSe 薄膜的非线性吸收特性。通过泵浦探测技术和开孔 Z-扫描技术研究了膜厚度对 InSe 材料非线性吸收特性的影响，通过实验得出结论，较薄的膜表现出饱和吸收特性，较厚的膜表现出反饱和吸收特性，如图 1-3 所示，这种现象是因为随着膜厚度增加，能带隙中的局域缺陷态明显增加。采用基于 Adomian 分解法得到开孔 Z-扫描理论拟合实验曲线从而得出非线性吸收系数以及饱和强度阈值[21]。

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本文编号：2782945