CQDs/ZnO复合光学微腔的制备与光谱性质研究

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微纳光学微腔在21世纪初取得了巨大的发展,ZnO是其中一种典型的光学微腔,由于其宽禁带、高的激子结合能,在表面声波器件、液晶显示、气敏传感器、压敏器件、太阳能电池等方面有广泛应用。ZnO本身可以既作为光学微腔又作为增益介质被广泛应用。但ZnO的发光波段相对固定,难以实现宽波段、可调谐的功能。量子点由于其优异的发光特性、特殊的量子尺寸效应、量子化的能级结构及出色的光学性质,比如窄的发射光谱,宽的吸收光谱,高的量子产率,并且在很宽的波段可以通过调节尺寸而改变其带隙宽度,进而调控发光波段,受到广泛的关注,为实现宽波段可调谐的微纳激光器提供了很好的选择。  在这个研究领域中,已经有大量的工作关注在量子点与光学微腔的复合上面,这对光与物质相互作用的基础研究和光电器件的应用都有很重要的作用。在之前的研究中,大部分的复合体系都是基于DBR(distributed bragg reflector)结构微腔以及自组装量子点的,并且在单光子源、光探测器以及微腔激光器等方面已经取得了很显著的进展。这些研究都将量子点作为一种增益介质,当然,所用的量子点基本上聚焦在Ⅲ-Ⅴ族半导体,通常是通过分子束外延法(MBE)或者金属有机化学气相沉积法(MOCVD)来合成的。此外,DBR结构的光学微腔通常是通过MBE、MOCVD、溅射、电子束刻蚀(EBL)或者其他的纳米材料刻蚀方法来制备。当然,这些复杂、昂贵的制备技术和设备以及材料的局限性对这个研究领域的发展是不利的。  相反,胶体量子点具有很多优点,比如高的光学稳定性、液相合成的可行性以及宽的发射波段可调节性,这些优势都让胶体量子点成为复合光学微腔中的一种更理想的材料。当然,鉴于复合胶体量子点具有较大难度,主流的手段一般是在DBR结构中通过旋涂镀膜的方法嵌入一层胶体量子点,此方法也需要一套复杂的设备。所以,关于胶体量子点复合方面的研究还没有引起广泛的关注。另一方面,具有规则形貌的微纳米结构光学微腔逐渐成为另一种重要的光学微腔。由于其简单的制备过程、高的可调性以及出色的光限制效果,这些光学微腔已经引起了全世界越来越多的研究兴趣。其中,具有规则六边形截面的氧化锌微米棒回音壁光学微腔是研究最广泛的,并且已经取得了巨大的研究成果。在氧化锌回音壁光学微腔中,因为谐振腔内部界面处发生了多次全反射,光波可以被基本上限制在光学微腔内部。光与物质得相互作用也就可以被精确地有效控制,这对基础物理研究中的腔量子电动力学以及基于光学微腔的光电器件的发展都具有重要的意义。鉴于以上内容,有理由相信,胶体量子点可以被光学微腔有效限制,进而有可能实现对胶体量子点的发光起到调制作用,这将是有趣并且具有划时代意义的。  提出了一个简易的将CdSe核壳结构胶体量子点附着到六边形氧化锌微米棒回音壁光学微腔表面上的方法。实验中观测到了氧化锌微米棒光学微腔对胶体量子点发光的调制作用。此外,还研究了室温下量子点/微腔复合体系的相互作用性质。通过计算,确定了基于全反射模型的回音壁模式,并且利用有限元(FEM)模拟进行进一步确定。此外,对胶体量子点相关的谐振特性进行了细节的研究。同时,还发现了在量子点与氧化锌微腔之间的荧光共振能量转移现象。我们的工作为研究量子点与微纳米结构光学微腔之间耦合的光学性质研究提供了一种简单的方法。  第一章主要介绍了复合光学微腔的研究背景、研究内容以及选题依据。  第二章主要是关于氧化锌光学微腔的基本知识,半导体微纳米材料的基本制备过程,以及材料相关物理性质的表征方法。  第三章主要研究了氧化锌微米棒、微米管与量子点组成的复合微腔的光谱特性,包括其对量子点发光的调制现象,以及量子点与微腔之间发生的荧光共振能量转移现象,同时,实验结果与有限元模拟分析相吻合。同时,通过飞秒激光测试系统,观测到了激射现象,阈值为43.34uJ/cm2。  第四章主要对全文工作进行了回顾,提出了新的设想与展望。
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