基于微纳加工技术改性半导体材料及其光电器件制备研究.pdf

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1、博士学位论文基于微纳加工技术改性半导体材料及其光电器件制备研究RESEARCHONSEMICONDUCTORMATERIALSMODIFICATIONUSINGMICRONANOFABRICATIONANDMANUFACTUREOFOPTOELECTRONICDEVICES易宁波哈尔滨工业大学2018年03月国内图书分类号：TN242学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学博士学位论文基于微纳加工技术改性半导体材料及其光电器件制备研究博士研究生：易宁波导师：肖淑敏教授申请学位：工学博士学科：材料物理与化学所

2、在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN242U.D.C:530DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONSEMICONDUCTORMATERIALSMODIFICATIONUSINGMICRONANOFABRICATIONANDMANUFACTUREOFOPTOELECTRONICDEVICESCandidate：YiNingboSupervisor：Prof.XiaoShuminAca

3、demicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsPhysicsandChemistryAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要从20世纪以来，微纳加工技术的不断进步，推进了半导体工业的全面快速发展。很多科学理论上的预言受制于设备和制备手段的局限性，很难得到

4、实验和应用上的验证。微纳制备技术的更新以及基础理论的不断完善，为这些科学预言走向现实应用提供了良好的平台。微纳加工技术的成熟赋予了材料在光学和电学上新的应用，比如激光微腔、光学超材料、光学超表面、光电探测、生物探测等。因此，基于微纳加工技术在新材料、新器件、新功能上的研究和探索，可以开发出更多具有科学意义的器件和材料特性。本论文利用微纳加工技术深入研究了半导体材料性质以及其光电器件上的应用。主要创新内容如下：利用光刻微纳加工技术制备了硅基光学磁性器件；利用简单电子束蒸镀制备了具有微纳结构的石墨烯表面拉曼增强光学器件，并应用

5、于生物细胞探测；基于电子束微纳加工技术的电子与物质的相互作用，制备了卤素钙钛矿微纳光电器件以及探索了其离子传输特性。具体研究内容如下：基于大面积的微纳加工技术，研究了传统硅半导体材料在新型微纳光学器件上的应用。通过改变周期性的微结构参数改变了硅薄膜的光学性质，实现了在特定波长下的磁谐振。首先从理论模型计算得出，改变周期性微结构的参数，可以实现任意工作波长磁谐振全反射的新型硅基光学器件。采用“光刻‒刻蚀”的微纳加工技术制备了厘米面积的新型硅基光学器件，该结构参数是宽度为1.95μm，厚度为2μm，周期为6μm。测试该器件两个

6、偏振方向上的透射光谱，与计算结果一致。计算光谱在8.1μm处形成了较强的磁谐振峰，与实验光谱中分别在TE和TM方向的7.9μm和8.1μm谐振波长误差为-2.5%和0%。微纳加工技术在新型硅基微纳光学器件的应用，为拓宽传统半导体材料的应用范围提供了一种新的思路。利用电子束蒸镀纳米金属颗粒的技术，制备出低成本且具有三明治结构的银/还原氧化石墨烯/金（Ag@rGO@Au）石墨烯表面拉曼增强（G-SERS）光器件。该器件实现了高达70倍的电磁场机理增强（EM）。利用数值模拟技术模拟了Ag纳米颗粒和Au纳米结构在入射光激发下产生的

7、表面局域电场耦合，解释了金属天线局域表面等离子体电磁场增强机理。结合化学增强机理，可以根据石墨烯特征峰的变化判断癌细胞表面官能团与石墨烯的相互作用；利用增强光谱对癌细胞特征峰的分析，实现了对无标记癌细胞快速探测和鉴别。利用这种简单快速的微纳加工技术，实现了对石墨烯拉曼光谱的增强，同时也为无-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文标记癌细胞检测和鉴别奠定了研究基础。基于电子束曝光技术的电子与物质相互作用，研究了有机/无机溴化铵钙钛矿（CH3NH3PbBr3）表面改性技术以及新型发光器件。实验证明了在电子束照射以后晶体荧光发光（P

8、L）衰减，晶体表面的Pb/Br比值增加，晶体表面形成金属Pb纳米颗粒。利用电子束曝光技术，制备出了一维低阈值钙钛矿微型激光器阵列，实现了钙钛矿晶体激光从WGM模式向F‒P模式转变；通过电子束图案曝光的方式制备了二维的周期荧光发光结构和微型发光图案，为高分辨LED设计和制备提供一种新技术选择。基于电子束曝