CdS微纳结构碲掺杂及表面氧化调控的光子学性质研究

发布时间：2020-10-09 11:29

　　硫化镉(CdS)的室温带隙为2.42 eV,是研究光与物质相互作用的重要半导体材料之一。同时,CdS具有较好的稳定性、理想的发光效率、较高的电子迁移率等特点,可望广泛应用于激光器、晶体管、发光二极管、非线性光学器件、太阳能电池等领域。掺杂能够有效调控微纳材料的晶格结构、电子能带结构,进而优化调节相应的电子学、光子学、光电性能。本论文系统研究CdS微纳结构碲掺杂和表面氧化调控的光子学性能,探索相应的光物理机理。主要研究工作包括以下两个方面:(1)采用简单的两步化学气相沉积法(CVD),制备出高质量的Te掺杂CdS纳米线。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、拉曼光谱等表征手段,证明我们所制备的Te掺杂CdS纳米线具有较高的结晶质量。Te元素均匀掺杂在CdS纳米线上,并且未改变CdS的六角纤锌矿晶格结构。研究不同Te掺杂量对CdS纳米线发光性能的影响,确定重掺杂浓度下CdS纳米线的发光性能发生严重的减弱,同时WGM腔模式发光会消失。通过显微变温拉曼,证实该Te掺杂CdS纳米线具有较强的电子-声子耦合作用,以及存在重要的表面声子极化作用。通过不同激光功率和变温光致发光(PL)光谱和变温荧光寿命光谱确定该Te掺杂CdS纳米线的发光同时受到表面极化子和回音壁模式(WGM)微腔的双重调制,并且表面极化对发光的调控随温度的响应比较明显,在低温(80K)时表面极化的调制作用有明显的减弱效果。该Te掺杂CdS材料还具有较宽的吸收波段,覆盖整个可见光范围。(2)将纯CdS微-纳米线在空气中加热至475度得到表面氧化的CdS微纳结构。XRD、SEM、EDS、拉曼光谱以及PL mapping等表征结果证明所制备的材料为高质量的表面氧化CdS六角纤锌矿结构微纳米线。通过不同条件的PL光谱测试以及时间分辨PL测试研究了其发光机理。实验结果表明表面氧化不仅提高了该氧化CdS结构的发光性能(宽发光波段,高发光效率),还实现了WGM微腔与激子极化激元的耦合调控发光,进一步确定了短波发光主要受激子极化激元调控,长波发光主要受WGM光学微腔调控。
【学位单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304
【部分图文】：

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硕士学位论文以认为在该 F-P 光学微腔限制下的光场主要受到腔壁的调制作用，即 (θ)主要由 DBRs 的光禁带中心频率 ( )决定。所以我们可以用一个简单的公式去近似地去估算腔模式频率随腔长的一个变化规律，该表达式为： η (1.6)对于腔模式的半高宽 (θ)的表达式，在理想的情况下可以给定。当认为该 F-P光学微腔对光场有具有极好的限制作用的时候，也就是当 R 趋近于 1 时，此时半高宽 (θ)的表达式为： (θ)= ( ( )) ( ( ) ( )) (1.7)

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CdS 微纳结构碲掺杂及表面氧化调控的光子学性质研究于前面的讨论结果可以得到该半导体 F-P 光学微腔共振能量 E 的表达式： = （1.8）通过微腔共振能量 E 的表达式，我们可以进一步的确定相邻共振光波长差х 与腔长 L 的关系式：х = ( )（1.9）从上式（1.9）可以发现相邻模式的波长差х 会随着半导体微腔的腔长 L 的增大而减少，且该表达式对于我们在实验中判定半导体发光的微腔模式的类型具有很大的便利。

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硕士学位论文耗就会很少，所以能够传播到很远的地方去。北京的天坛的建筑结构也暗含这个声学原理，并且是已知最早的人为建造的回音壁腔。光与声音的传播方式很类似，声波会被坚硬的墙壁所反射，而光波在大于临界角度由光密介质中射向光疏介质时会发生全反射。以经典的正六边形 WGM 光学微腔为例，如图 1-3 所示，光在该腔体内部沿着正六边形边界传播。一束光以入射角为 θ（θ 大于该腔体材料的临界角）向该正六边形腔体的边界传播时，会在边界处发生全反射并向下一个相邻的边界以相同的入射角传播。在经过一个周期循环后，光又会回到最初入射点，从而形成一个完整的光学回路，光波在腔内会发生干涉而共振加强。这就是形成WGM 光学微腔共振腔模的基本思想。

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