单纳米结构带隙调控及其纳米光子学器件研究

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1、学校代号：10532学密号：B0907S0002级：不保密湖南大学博士学位论文单纳米结构带隙调控及其纳米光子学器件研究迨窒握童旦翅；2Q!三生12旦诠窒筌避旦翅；2Q!垒生Q3旦2Z旦筌避委员会圭廑；王玲验塾援Single-NanostructureBandgapModulationandNanophotonicDevicesbyXUJinyouB．E．(HunanUniversity)2008Adissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftherequirement

2、sforthedegreeofDoctorofEngineeringlnMaterialsScience&EngineeringintheGraduateschoolofHunanUniversitySupervisorProfessorPANAnlianMarch，2014湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中

3、以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：砌磊度』日期：o口f铲年；月名日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书。2．不保密曰。(请在以上相应方框内打”√”)作者签名：导师签名：请级洚蚺日期：

4、汕L中年弓月≥g日日期：j叫年多月纺日博士学位论文摘要纳米结构的独特物化性质不仅有利于半导体器件的小型化和集成化，而且在新型纳米光电子器件研发领域有着重要的潜在应用价值。带隙是半导体光电子器件中最重要的本征参数之一，原则上决定了半导体光电器件的光谱响应特征。然而众所周知，所有天然半导体可供利用的带隙值组成的是一个十分有限的离散集。为了克服天然半导体带隙的这种局限性，人们利用合金化和量子尺寸效应等多种手段开展了半导体带隙调控工作，极大地丰富了半导体可供利用的带隙值，甚至成功地在单个衬底上集成了一系列递变的带隙。鉴

5、于单个纳米结构中的带隙调控能够在纳米尺度空间集成丰富的带隙值，有望为纳米光电器件研发提供全新的材料平台，单纳米结构带隙调控在纳米科技日新月异的发展过程中日益重要。有鉴于此，本论文精心设计和改进了传统热蒸发纳米材料生长技术并在此基础上生长了多种特殊半导体纳米结构。最终成功地在单个纳米结构中通过合金组分调控实现了单纳米结构带隙调控。更加重要的是，利用这些特殊的纳米结构，我们设计和研究了几种重要的新型纳米光子学概念器件并测试评估了它们的性能表现。主要代表性研究成果归纳如下：(1)率先将磁力助推系统整合到了传统的热蒸发

6、纳米材料生长系统中，成功地在高温生长过程中实现了固态反应源材料置换或收集衬底位移。在此基础上，生长了沿纳米线轴向具有全组分梯度CdS，Sel吖O=0～1)和Zn，,Cdl_,SySel．yO，y=O～1)合金纳米线，实现了沿单根纳米线轴向的梯度带隙调控。它们均可用作集成了丰富波长的高品质纳米光源。尤其是ZnxCdl-xS，Sel．y纳米线，其发光波长几乎覆盖整个可见光谱区且尺寸小于人眼的分辨极限，可直接用作高品质纳米白光光源。(2)我们从理论上预测了组分梯度型半导体纳米线中的非对称光波导现象，并以组分梯度CdS

7、xSel．工纳米线为基础，首次在半导体纳米线中阐明了具有结构简单、成本低廉、工作波长可调、工作阀值低，纳米尺寸和方便集成等优秀特征的非对称光传播。研究表明，光在组分递变型半导体纳米线中的传输损耗与传输方向密切相关。沿带隙增加方向传输时的损耗来自结构无序诱导的带尾态吸收和非理想表面泄漏。相反，沿带隙减小方向传输时除上述损耗外，总传输损耗由于每个吸收．发射过程中伴随的大量无辐射跃迁而急剧增加。正是这种传输方向依赖的巨大损耗差异提供了半导体纳米线非对称光传输的基本原理。(3)系统研究了组分递变型CdSxSel．x半导

8、体纳米线中的光波导行为，首次发现了沿这种纳米线的带隙减小方向的波长转换光波导过程。研究表明，当聚集激光束在窄带隙端激发纳米线时，纳米线对于激发出来的光是一种无源波导介质，光在其中通过全反射沿纳米线带隙增加方向往前传播，整个传播过程中保持传输光II单纳米结构带隙调控及其纳米光子学器件研究光子频率不变。相反，当在宽带隙端激发纳米线时，纳米线对于激发出来的光是一种有源波导介质，激发出来的光在