半导体纳米线组装与氧化锌纳米线随机激光器

发布时间：2017-04-18 13:24

  本文关键词：半导体纳米线组装与氧化锌纳米线随机激光器，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半导体纳米线作为典型的一维功能材料,以其特异的性质将在半导体光电子学研究领域占据重要地位。以ZnO材料为例,它具有极大的激子结合能(60 meV)和优异的光电特性,是在室温下实现高效、低阈值紫外激光器的理想材料。对纳米线而言存在一个材料组装的问题,实现大规模定向排列与集成的纳米线阵列是获得可靠器件性能的基础。本论文重点对纳米线材料的组装方法和ZnO纳米线随机激光器进行了研究和探索。我们发展了一个通用的图形化方法,获得了功能衬底并实现了大规模定向排列的纳米线阵列;研究了ZnO纳米线电浦随机激光器,分别实现了基于p-n结结构和肖特基结构的随机激光器件。大规模纳米线阵列的实现有利于纳米线器件的制备,新的器件结构也为微型半导体激光器的发展提供了新方向,对于纳米线器件应用有重要意义。本文取得的创新结果如下：(1)提出一个利用激光干涉实现自组装单分子膜图形化的方法,制备了具有亲疏水性差异的功能衬底,并获得了大规模精确排列的纳米线阵列。该图形化方法具有普适性,可用于大面积界面修饰及功能化的实现。我们制备出亲疏水条纹衬底并用作转移模板,利用流体作用力将溶液中的离散纳米线排列、集成到转移模板的亲水区域,获得了大规模精确组装的纳米线阵列,为纳米线基功能器件发展提供了技术基础。(2)为了提高纳米线器件的电流注入效率,我们提出并制备了一种全新的侧面电极结构。该结构利用阳极氧化的方法在Al电极上制备A1203作为绝缘层结构,形成了上下电极、纳米线和绝缘层间的相互匹配,为纳米线器件提供可靠的电学接触。该侧面功能电极与纳米线具有大的接触面积和短的载流子输运路径,有利于提高纳米线基器件的电学注入/抽取效率。(3)实现了ZnO纳米线p-n结电浦随机激光器。我们通过CVD方法生长氮掺杂ZnO纳米线,和非掺杂的种子层薄膜形成p-n同质结。器件的光电流和Ⅰ-Ⅴ测试结果表现出p-n结结构特性。随后对该器件进行电泵浦激励,在EL光谱上波长390 nm波段观测到随机激光发射峰,输出功率和注入电流的关系也呈现阈值特性,开启电流大约40 mA。研究认为激光的产生是源于强散射形成的闭合回路谐振腔所提供的正反馈,表明ZnO是实现室温激光器的理想材料。(4)提出并制备了Au-ZnO纳米线肖特基结电浦随机激光器,这是首次在肖特基结器件结构中观测到随机激光发射现象。非掺杂的ZnO纳米线具有本征n型导电性,与蒸镀在纳米线顶端的Au薄膜形成Au-ZnO肖特基结。器件在正偏压下EL光谱上探测到随机激光发射峰,同时100 mA注入电流下输出功率约为67 nW,高偏压下还观测到Zn原子表面等离激元相关的发射峰。研究表明激光的产生源于ZnO内的激子激光发射。在足够高的正偏压下空穴从正极隧穿到ZnO价带,与导带上的电子形成激子发光。该研究结果的重要意义是：它表明在肖特基二极管中少量的空穴载流子注入即可激发随机激光,其形成的激子起到主导作用。我们的研究为微型半导体激光器的发展提供了新的器件结构。
【关键词】：半导体纳米线组装 ZnO纳米线随机激光器 p-n同质结 肖特基结
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-42
• 1.1 引言11-14
• 1.2 半导体纳米线的组装与集成14-20
• 1.2.1 半导体纳米线组装—“自下而上”(Bottom-Up)14-15
• 1.2.2 纳米线的大规模排列与集成15-20
• 1.3 纳米线基器件电极的实现20-22
• 1.4 纳米线基光电器件22-32
• 1.4.1 发光二极管22-24
• 1.4.2 激光器24-28
• 1.4.3 光电探测器28-30
• 1.4.4 太阳能电池30-32
• 1.5 本论文研究内容与结构安排32-34
• 参考文献34-42
• 第二章 半导体纳米线组装与器件电极实现42-61
• 2.1 引言42-45
• 2.2 离散纳米线的大规模集成45-52
• 2.2.1 图形化功能衬底的实现45-48
• 2.2.2 纳米线的大规模集成48-52
• 2.3 侧面功能电极结构与制备52-55
• 2.4 本章小结55-56
• 参考文献56-61
• 第三章 ZnO纳米线p-n结电浦随机激光器61-86
• 3.1 半导体随机激光器件61-65
• 3.1.1 半导体激光器件61-62
• 3.1.2 随机激光器原理62-65
• 3.2 ZnO的光电特性及p-n结随机激光器65-72
• 3.2.1 ZnO材料的光电性质65-67
• 3.2.2 ZnO p-n结随机激光器67-70
• 3.2.3 ZnO异质结随机激光器70-72
• 3.3 ZnO纳米线p-n结随机激光器制备及研究72-81
• 3.3.1 材料生长、表征及器件制备72-76
• 3.3.2 器件光电特性76-81
• 3.4 本章小结81-82
• 参考文献82-86
• 第四章 ZnO纳米线肖特基结电浦随机激光器86-100
• 4.1 引言86-87
• 4.2 肖特基结的ZnO激光器结构87-91
• 4.2.1 MIS与MSM结构ZnO电浦随机激光器87-89
• 4.2.2 ZnO纳米线肖特基结构随机激光器89-91
• 4.3 Au-ZnO纳米线肖特基结随机激光器的制备及研究91-97
• 4.3.1 器件制备与表征91-93
• 4.3.2 器件光电特性93-97
• 4.4 本章小结97-98
• 参考文献98-100
• 第五章 结论与展望100-103
• 5.1 全文总结100-102
• 5.2 研究展望102-103
• 致谢103-104
• 攻读博士学位期间发表的文章和申请的专利104-105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 叶志镇,张银珠,徐伟中,吕建国;ZnO薄膜p型掺杂的研究进展[J];无机材料学报;2003年01期

  本文关键词：半导体纳米线组装与氧化锌纳米线随机激光器，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：315001