几种一维Ⅱ-Ⅵ族纳米材料二次谐波的增强及应用
发布时间：2020-05-31 19:26
【摘要】：一维Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料具有优秀的光学、电学性质,是微电子器件、集成光电器件和微机电器件中重要的连接和功能单元。Ⅱ-Ⅵ族半导体如ZnS、CdS等通常具有较大的二阶非线性极化率χ~((2));其二次谐波(Second Harmonic Generation,SHG)在生物成像和光学探测等领域取得了重要的应用,成为近年来光学探测技术的一个研究热点。通过测量SHG强度随入射光偏振态的变化规律,可以获知晶体的晶格取向;相较于晶体结构探测中常用的电子衍射方法,这种光学方法具有环境要求低,对样品无损伤等优点。但目前的研究工作通常只研究了晶体某一个轴对SHG偏振响应的影响,而忽略了剩余晶轴的作用。提高SHG偏振响应的测试精度,实现晶体三个晶轴取向的精确测定,将进一步拓展该测试方法的应用范围,提高其研究价值。由于纳米材料与光子相互作用的有效体积很小,其较低的SHG转化效率也是目前人们亟待解决的问题。金属表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)在近场局域增强,突破光学衍射极限等方面具有重要的应用价值。现阶段,SPPs的研究中存在着激发方式效率低下,探测设备昂贵等问题。如果能够在亚波长尺度内实现SPPs的高效激发,并通过普通光学设备实现SPPs的观测,将对SPPs在微纳光子学领域的研究与应用起到极大的促进作用。针对这些问题,本论文主要进行下面几个研究工作:(1)通过化学气相沉积法合成了三种高结晶质量的一维Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料,并对合成的ZnS、CdS、CdSe一维纳米结构进行了材料学表征。将纳米线分散转移至石英衬底后,我们还对单根CdS纳米线、单根CdSe纳米线的光致发光性能进行了基本的测试。(2)利用自主搭建的光学显微测试系统深入研究了单根ZnS纳米线的SHG特性。基于ZnS纳米线SHG偏振响应特性,即SHG强度随入射光偏振态的变化规律,我们发展了一种全光学、原位确定晶体全部三个晶轴取向的探测方法。通过该方法测定ZnS纳米线的晶体取向,与高分辨透射电子显微镜测试的结果非常一致。此外,我们还研究了单根ZnS纳米线的SHG转换效率,在10~(-6)量级。(3)我们将金属Al膜与ZnS纳米带复合形成“Ω”形结构,研究了该复合结构对SHG辐射强度的影响。通过剥离工艺以及真空金属镀膜工艺制备了一端被Al膜覆盖的单根ZnS纳米带,并准确测定了其SHG增强因子。结果表明该复合结构的SHG增强因子不仅与泵浦光的偏振方向有关,还与ZnS纳米带的横截面尺寸有关。实验中,该复合结构最高取得了超过60倍的SHG增强效果。分析发现,Al覆层引起基频场的增强和倍频信号收集效率的提高是主要的SHG增强因素。(4)通过实验证明了Ag薄膜和CdSe纳米线组成的复合结构中,利用CdSe纳米线的荧光高效激发Ag膜SPPs,并使用普通光学显微镜观察SPPs传播的可行性。此外,基于上面的复合结构,我们设计了CdSe纳米片微腔激光器,并对微腔中共振频率的模场分布进行了仿真。
【图文】：
其动能将会增加，导致原来宏观固体中连续的能带结构变成材料的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移的现述CdSe量子点荧光峰蓝移的现象。量子隧道效应是一种基本的量子具有贯穿高于其总能量势垒的能力[9]。随着微电子器件中元件宽的不断减小，量子限域效应、量子隧道效应已经成为微电子行并且将会确立未来电子器件以及光电集成器件微型化的极限。单位能量间隔内可能的状态数，称为电子态密度。图 1-1 给出了材料中自由电子态密度与能量E 的近似关系[10]。不同维度的固体分布。从三维发展到一维，材料的态密度分别正比于E1/2，E0，E料，其电子在三个维度上的运动都会受到约束，所处的能量状态因而具有分立的电子态密度[11]。态密度的不同，使得同种材料在著差异。
2 气-液-固（VLS）生长机制示意图。(a) 基底上的金属颗粒被加热熔化，载气携带的气态吸收溶解形成合金。(b) 达到饱和浓度后，合金液滴在基底表面析出源材料，最终形成一 液相生长法在溶液中合成一维纳米材料的方法主要有溶剂热法、微乳液法和溶胶凝胶法等。热法是最常用的方法，该方法通常以甲醇、乙二醇或水等液体为溶剂，在密闭分散在溶剂中的前驱物加热至一定温度，溶剂在高温下会产生很高的压强（兆帕超临界条件下反应物活性增大，能够合成各种形态的半导体纳米材料[28]。以水方法也叫水热法。液相生长法合成纳米材料的反应条件相对较为温和，合成过程相对简单，实验产物产率高，，分散性好，适合大规模生产。但由于液相合成法通常需要添加表有机高分子，这些添加剂容易残留在最终产物中，会导致产物不纯[27]。而且液
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
本文编号：2690349
【图文】：
其动能将会增加，导致原来宏观固体中连续的能带结构变成材料的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移的现述CdSe量子点荧光峰蓝移的现象。量子隧道效应是一种基本的量子具有贯穿高于其总能量势垒的能力[9]。随着微电子器件中元件宽的不断减小，量子限域效应、量子隧道效应已经成为微电子行并且将会确立未来电子器件以及光电集成器件微型化的极限。单位能量间隔内可能的状态数，称为电子态密度。图 1-1 给出了材料中自由电子态密度与能量E 的近似关系[10]。不同维度的固体分布。从三维发展到一维，材料的态密度分别正比于E1/2，E0，E料，其电子在三个维度上的运动都会受到约束，所处的能量状态因而具有分立的电子态密度[11]。态密度的不同，使得同种材料在著差异。
2 气-液-固（VLS）生长机制示意图。(a) 基底上的金属颗粒被加热熔化，载气携带的气态吸收溶解形成合金。(b) 达到饱和浓度后，合金液滴在基底表面析出源材料，最终形成一 液相生长法在溶液中合成一维纳米材料的方法主要有溶剂热法、微乳液法和溶胶凝胶法等。热法是最常用的方法，该方法通常以甲醇、乙二醇或水等液体为溶剂，在密闭分散在溶剂中的前驱物加热至一定温度，溶剂在高温下会产生很高的压强（兆帕超临界条件下反应物活性增大，能够合成各种形态的半导体纳米材料[28]。以水方法也叫水热法。液相生长法合成纳米材料的反应条件相对较为温和，合成过程相对简单，实验产物产率高，，分散性好，适合大规模生产。但由于液相合成法通常需要添加表有机高分子，这些添加剂容易残留在最终产物中，会导致产物不纯[27]。而且液
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
【参考文献】
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1 王冲;半导体CdS_xSe_(1-x)纳米材料的制备和非线性光学特性研究[D];华中科技大学;2015年
本文编号：2690349
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