ZnO微米线光学微腔的特性研究

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ZnO材料是直接带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,由于其自身的独特性质而受到广泛关注。ZnO的禁带宽度宽(3.37eV),激子束缚能大(~60meV),可以在室温下实现激子复合并发射紫外光。纤锌矿结构的ZnO微米线具有良好的微腔效应,而微腔可以调控ZnO的发光特性,因此目前基于ZnO微腔已经有不少研究组开展了广泛的研究,比如ZnO微纳米线的紫外激光辐射,激子强耦合效应,非线性光学效应等等。  本论文重点研究了基于ZnO微米线光学微腔的性质和应用,主要进行了如下三方面的工作:  1,搭建了微区共聚焦荧光光学显微谱仪。根据共聚焦光学显微镜的共轭焦点成像原理,采用无限远光学系统,结合高精度的光谱仪,组建了可以测量微区光谱的激光共聚焦荧光显微谱仪,激发波长是325nm的氦镉连续激光,或者是355nm的脉冲激光。该实验系统为后续的光谱测量实验提供了重要的测试手段。  2,运用微区共聚焦荧光显微谱仪,测量了从室温到400KZnO微米线的折射率,扩充了ZnO材料的基本物理参数,并用洛伦兹模型分析了变温时折射率变化的物理机制。测量折射率的方法是利用ZnO微米线的微腔效应,通过测量ZnO微米线的光致荧光光谱来获得ZnO微米线微腔的回音壁模,当温度发生变化时,这些回音壁模也会发生移动,再根据回音壁模的共振方程,计算出不同温度下的折射率。实验结果表明,温度升高折射率增大,其机理是温度升高后激子能级红移,导致折射率增大。相关的研究结果发表在Applied Physics Letters,104,081109(2014)。  3,采用弯曲应力来改变ZnO回音壁模。我们利用弯曲的ZnO微米线,沿着垂直于微米线c轴方向扫描不同位置的荧光光谱,发现在弯曲应力的作用下,ZnO微米线微腔的回音壁模发生了改变,而直的ZnO微米线在垂直于c轴的光谱是不会发生移动,说明弯曲应力会对ZnO微米线的微腔有影响,通过进一步的分析,我们认为这种影响是由于ZnO微米线在应力的作用下激子能级发生移动导致激子能级附近的介电常数发生了改变引起的。相关的实验结果发表在Acta Phys.Sin.63,177802(2014)。  此外,对ZnO材料的新型微腔进行了探索。为了在ZnO微纳米线或者微纳米带上加工出光学微腔结构,采用了聚焦离子束(FIB),在微米线上加工一维光子晶体,在微米带上加工微圆盘,目前相关的研究工作正在进行中。
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