论文题目: ZnO量子点中激子的基态特性及表面修饰对光学性质的影响
论文类型: 博士论文
论文专业: 凝聚态物理
作者: 王志军
导师: 元金山,吕有明
关键词: 自组装,量子结构,量子点,激子
文献来源: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: ZnO 是一种新型宽禁带直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,室温激子束缚能高达60meV,远大于室温热离化能(26meV),因此ZnO 是适于室温或更高温度下使用的高效紫外材料。ZnO 半导体量子点材料与体材料相比具有崭新的光电特性,特别在紫外激光器件方面具有极其广泛的应用前景与应用价值,其光电特性与ZnO 的激子特性密切相关,同时由于ZnO 量子点(纳米晶)具有较大的体表比,其表面会存在大量缺陷和悬键。因此,对ZnO 量子点中激子的基态特性及对ZnO量子点的掺杂、修饰后的光电特性进行研究,对ZnO 量子点的理论研究与器件实际应用方面都具有重要意义。本论文研究了ZnO 量子点中激子的基态特性,非晶ZnO 向纳米晶ZnO 转化过程,对Mn 掺杂、修饰的纳米晶ZnO 的光学及磁学特性及C 掺杂的纳米晶ZnO 的光学特性进行了研究。取得了如下结果: 1、提出了新的试探波函数,并用变分法研究了ZnO 量子点中激子的基态特性。计算结果表明,激子的基态能随着粒径的减小而迅速增大,当粒径减小至ZnO 的激子玻尔半径时,其基态能高出体相ZnO 禁带宽度488meV,约为ZnO自由激子结合能的8 倍,而当粒径较大时,其基态能比ZnO 导带底低65meV,与ZnO 自由激子的结合能基本一致。将计算结果与相关实验结果和Y.Kayanuma的计算结果进行了比较,发现无论与实验结果还是与Y.Kayanuma 的计算结果都吻合得很好,说明选取的试探波函数简单有效,可以应用于其它半导体量子点材料中。同时,ZnO 量子点中激子的波函数,随量子点半径的减小变化越来越剧烈,说明量子点所处的环境、量子点表面及掺杂会对ZnO 量子点中的激子产生很大的影响,因此对量子点表面进行修饰及有效的掺杂是必要的。该理论计算结果与实验结果基本一致,该方法可以用于其他种类量子点基态特性的研究。2、对非晶ZnO 向纳米晶ZnO 的转化过程进行了详细的研究。结果表明非晶ZnO 对纳米晶ZnO 的表面进行了有效的修饰,并形成三维受限量子结构,提高了纳米晶ZnO 的发光效率,同时观测到新的可见发光谱带,并归结为纳米晶ZnO的界面发光,其发光强度与非晶ZnO 对纳米晶ZnO 表面的作用相关。将实验结果与理论计算进行了比较,结果表明,当粒径较大时,计算结果与实验结果吻合得较好,当粒径较小时,与实验结果有一定的偏差,并对其原因进行了分析。用电泳法制备了高质量的非晶ZnO、纳米晶ZnO 薄膜,室温下观测到了较强的紫外发射,该方法在材料研究方面将有广阔的应用前景。3、制备了Mn 掺杂、修饰的纳米晶ZnO,并研究了其光学、磁学特性。结果表明Mn 掺杂的纳米晶ZnO 具有较好的发光特性,只有紫外发射,没有可见发射,研究表明,制备样品具有ZnMn 低O/ZnMn 高O 核壳结构,由于ZnMn 高O壳层钝化了ZnMn 高O 核表面,具有较好的修饰作用,提高了载流子的注入水平,并表现出量子尺寸效应。由于Mn 掺杂的ZnO 在稀磁半导体中具有潜在的应用
论文目录:
中文摘要
英文摘要
第一章 引言
1.1 人工低维材料的兴起
1.2 量子点材料的发展前景及实际应用
1.3 ZnO半导体材料基本特性
1.4 ZnO纳米结构研究进展及ZnO材料的研究热点
1.5 本论文研究意义及内容安排
参考文献
第二章 半导体低维结构主要制备方法及表征手段
2.1 主要制备方法
2.1.1 分子束外延技术(MBE)
2.1.2 金属有机化学气相淀积(MOCVD)
2.1.3 纳米结构自组装是制备量子结构最有前途的方法之一
2.2 半导体低维结构的主要表征手段
2.2.1 X 射线衍射谱
2.2.2 光致发光光谱及微区拉曼谱仪
2.2.3 X 射线光电子能谱(XPS)
参考文献
第三章 变分法研究ZnO 量子点中激子的基态特性
3.1 量子点电子结构理论研究进展
3.2 变分法研究ZnO量子点中激子的基态特性
3.2.1 引言
3.2.2 理论模型与计算过程
3.2.3 计算结果与讨论
3.3 小结
参考文献
第四章 非晶 ZnO/纳米晶 ZnO 转化过程研究及电泳法制备高质量非晶ZnO、纳米晶ZnO 薄膜
4.1 引言
4.2 材料制备及表征
4.3 非晶 ZnO/纳米晶 ZnO 转化过程分析
4.4 非晶ZnO/纳米晶ZnO三维受限量子结构
4.5 电泳法制备高质量非晶 ZnO 和纳米晶ZnO 薄膜
4.6 小结
参考文献
第五章 Mn修饰、掺杂的纳米晶ZnO光学及磁学特性研究
5.1 ZnO 基稀磁半导体研究进展
5.1.1 引言
5.1.2 ZnO 基稀磁半导体理论研究进展
5.1.3 ZnO 基稀磁半导体实验研究进展
5.2 Mn 掺杂、修饰的纳米晶ZnO 制备及光学、磁学性质研究
5.2.1 引言
5.2.2 材料制备与表征
5.2.3 Mn 掺杂、修饰的纳米晶ZnO 结构、光学与磁学性质研究
5.3 小结
参考文献
第六章 C 掺杂纳米晶ZnO 制备及光学性质研究
6.1 C_(60)及C纳米管基本性质
6.2 C掺杂纳米晶ZnO的制备、表征与光学性质研究
6.2.1 C掺杂纳米晶ZnO的制备与表征
6.2.2 C掺杂纳米晶ZnO结构与光学性质研究
6.3 小结
参考文献
第七章 结论与展望
作者简介
致谢
博士学位论文原创性声明
发布时间: 2006-03-14
参考文献
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