光电子技术第8章 发展中的纳米光电子技术(1)

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1、第8章发展中的纳米光电子技术8.1纳米光电子材料8.2纳米光电子器件8.3近场光学8.4光子晶体第7章介绍了光电子技术在现代社会中的应用，涉及的光电子器件大小主要在宏观到微米尺度。相配合的集成电路的集成度已经实现在一个芯片上制作5亿多晶体管，几乎达到极限。现代社会的发展要求更精细、更高效的光电子集成，要求光电子技术创新、提升和新的跨越。21世纪初，纳米科学技术的发展引起了全世界科技界的极大关注。纳米尺度(1nm至1μm范围，也称介观空间)出现了许多奇特的现象：随着微粒尺寸下降，表面原子数占总原子数的比

2、例将大大增加。对于半径1nm的纳米粒子，比例值大于90%，即原子几乎全部集中于粒子表面，表面悬空键增多，化学活性大大增强。纳米粒子的小尺度引发结构和能态变化，产生许多光、磁、电等物理化学性能。纳米科学技术将会给材料、制造业、信息、能源和生命科学带来革命性的变革。纳米光电子科学与技术应运而生了：研究纳米尺度的光电子材料的奇异特性，研制新奇的纳米光电子器件，观察纳米世界的“眼睛”—近场光学，开创科技新时代的光子晶体…….，研究→产品→应用蓬勃开展。本章介绍这些热点问题，以期展示光电子技术的发展方向。8.1

3、纳米光电子材料一、半导体量子阱、量子线、量子点在第一章介绍半导体激光器时，介绍了量子阱半导体激光器MQW–LD。当有源区厚度只有几纳米，就出现了量子阱效应：有源区出现了导带和价带的突变，粒子数反转的浓度非常高。由此带来MQW–LD一系列优越的特性。在量子阱结构的窄带隙材料层再施行一维异质限制，使层内形成量子线；若在量子线的正交方向再施以异质限制，则形成量子点。量子限域越强，半导体中载流子更加趋于分立能级上，表现出更加优化的性能。量子点（QD）中电子和空穴的强限制作用，使量子点LD比量子阱LD性能更优越

4、。由于载流子的局域化，可增强“多体效应”，所以，Coulomb相互作用使增益得到更大的提高。多层量子点有源区使得LD的调制带宽更宽，激光线宽更窄，而且实现反转分布所需的载流子数目更少，阈值电流更低。对有源区尺度为2μm的InGaAs/GaAs量子点LD的研究表明，其Ith可降到268μA，QD的温度特性也比QW改善很大，出光功率随温度的淬灭作用比QW弱很多，可制作出高自发发射效率、高密度的量子点阵，使LD输出效率高。半导体量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸和它的化学组成来加以调控，可以使其荧光发

5、射波长覆盖整个可见光区。量子点的尺寸越小，发射的光波长越短。量子阱、量子线、量子点是由两种不同带隙的半导体组成的周期性纳米结构；由两种不同折射率的电介质制成的周期性纳米结构：一维、二维、三维光子晶体也表现出奇异的特性，在8.4节专门介绍。二、金属纳米材料金属纳米材料由金属、电介质组成。金属多用金(Au)，电介质常用硅等半导体材料，还可以是其它无机材料、有机材料等，结构尺寸在几纳米～几十纳米范围。几种金属纳米材料的结构金属与电介质的界面存在着表面等离子体。当光入射到界面发生全内反射时,其倏逝波引发等离子

6、体振荡，形成表面等离子激元波（SPP）。SPP波沿界面传输，其传播波数决定于金属和电介质的介电常数。倏逝波向SPP波提供能量，当倏逝波沿界面的波数与SPP波的波数相同时，则发生共振。入射光被强烈吸收，形成吸收峰。SPP波是由入射光的倏逝波激发的，纳米尺度的金属和电介质界面，倏逝波很强，因而吸收特别强烈。吸收的峰值波长依赖于纳米粒子的尺寸、形状和环绕粒子的介电环境。几种不同粒径金属纳米球的吸收谱金属纳米球小于25nm时，吸收峰移动很小，而大于25nm的粒子，吸收峰随粒子尺寸增大而红移。金属纳米棒吸收谱出

7、现两个吸收峰，分别对应于自由电子沿棒轴(纵向)方向和垂直于棒轴方向(横向)的振荡。横向吸收谱接近于金属纳米粒子的吸收谱，纵向吸收峰有显著的红移，移动大小取决于棒的长宽比。金壳包硅核的吸收谱当硅核半径不变，金壳厚度减小，吸收峰向长波方向移动，移动范围从可见到红外。若核-壳尺寸比不变，粒子绝对尺寸增加，吸收将相对于散射增加。金属纳米材料的光吸收特性使得各种光诱导的线性和非线性光学过程显著增强。除具有极大的局部场增强效应外，还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点。这对于发展新型光子器件、纳米尺度光子

8、回路、新型的光传感器和测量技术等前景诱人，已经在光传感、光存储、太阳电池以及生物光子学、纳米集成光子学等多方面有重要应用。三、碳纳米管碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的”笼状”纤维，内部是空的。分为单壁碳管和多壁碳管，直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几微米至几十微米。可用电弧法、化学气相沉积等多种方法制造。单壁碳管侧面由碳原子六边形组成，如右图；多壁碳管由几个或几十个单壁碳管同轴构成，管内距为0.34nm左右。碳纳米管很轻，材料密度只是