学海网

氧化锌纳米结构新型紫外光电器件的研制，博士学位论文，共133页。
中文摘要
紫外光电器件在绿色照明、光通讯和光信息存储等方面具有广泛的应用前景与迫切的应用需求。II -VI 族直接带隙半导体氧化锌(ZnO)为六角纤锌矿结构，禁带宽度为 3.37 eV，其激子结合能高达 60 meV，远大于室温热能(26 meV)，是实现室温下高效紫外激子发光和激光的一种候选材料，并且 ZnO 还具有原材料丰富，安全环保等特点。因此 ZnO 作为半导体紫外光电器件的重要材料，成为继 GaN 之后短波长半导体器件研究中新的热点。氧化锌有着丰富多样的纳米结构，且由于量子效应的作用，不同形貌的氧化锌纳米结构展现出许多具有应用潜力的独特性能。本论文针对现阶段氧化锌基光电器件研究中所存在的问题，设计制备了不同形貌的氧化锌纳米结构，并根据不同纳米结构所展现的独特性能，设计制作了能够实现或者提高某一方面性能的氧化锌纳米结构紫外发光二级管与光探测器件，取得了如下创新性研究成果：
1. 通过光刻工艺与水热生长法在 p 型氮化镓衬底上生长出氧化锌微腔结构，制作出发光峰位于 395 nm，具有较低开启电压（4 V, 0.82 mA）与较高亮度的紫外发光二级管。
2. 通过烧结的办法在 ITO 电极上直接制备出氧化锌纳米晶层，并在所得纳米晶的基础上制作了氧化锌纳米晶∕p 型氮化镓异质结发光二极管。器件的发光峰蓝移至 383 nm，半峰宽缩窄为 13 nm。
3. 通过溶液自组装的方法合成了由氧化锌纳米颗粒所组成，具有较高的光吸收水平的仿生叶脉结构。并设计制作了基于该叶脉结构的氧化锌紫外探测器。在紫外光照射下，器件的电流相比于在黑暗中提升 104倍，与世界最好结果齐平。
4. 依靠量子点中的分立电子能级结构，设计作了基于 CdSe/ZnS 核壳量子点的光探测器。器件对较宽光谱范围内的光波都有相应，广光谱响应范围与量子点的光吸收谱相一致。并且器件在不同波长的光波照射下有着与响应曲线相一致的光电流改变，因此可以实现了入射光波的波长探测能力。
5. 运用 PS 微球模板技术制作了氧化锌二维光子晶体结构。依靠透射光谱测试，我们得到了样品光学禁带的位置、组成以及变化信息。根据 Mie 散射理论，我们精确的推导出二维光子晶体的光学带隙结构以及变化规律，并与实验结果符合较好。这样的二维光子晶体结构可以增强光与物质的相互作用，因而可以改变并提高半导体光电器件的性能表现。
关键词：氧化锌；纳米材料；紫外发光二极管；紫外光探测器；二维光子晶体

第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
当诺贝尔奖获得者、物理学家理查德•费曼在1959年的美国物理学会冬季会议上做出他传奇的演讲“在底部有充足的空间：一个进入物理新世界的邀请(There’s plenty of room at the bottom: An invitation to enter a new world of physics)”时，他为一个新的科学技术领域种下了一粒种子。纳米结构，这种尺寸位于几纳米到几百微米范围内的独一无二并有着增强效果的材料、结构与器件，在技术上已经快速的成熟并应用到诸如物理、化学、生物医学、材料、电子和环境等几乎所有领域。许许多多的原因使这些及其微小的结构吸引了人们极大的兴趣和关注。首先，纳米结构的许多特殊性质使我们产生了探究的欲望：大肠杆菌的鞭毛是怎样作为一个马达来运动的？电子是怎样通过有机纳米线的？其次，纳米尺度上的材料和物质与宏观尺度上我们所熟悉的科学有着不同的理论体系与发展轨道（经典物理与量子力学），因此研究微纳结构会有崭新独特现象的发现。当纳米结构达到一定的尺寸时，量子效应，尤其是量子纠缠态与量子限制现象会主导着材料的各种表现及性能。纳米结构与器件是我们研究微纳电子学与微纳光子学的基础。最后，纳米尺度的功能结构承担着细胞中许许多多复杂的任务，细胞中负责遗传的核糖体与染色体、负责运动的鞭毛微马达、负责光反应的叶绿体，甚至给整个细胞提供能量的ATP酶与线粒体都是纳米结构，而关于这些我们才刚刚开始探索和知晓。纳米技术的发展对未来的医学、生化、能源以及环境领域都有着巨大的发展潜力与前景，对人类未来的生存和发展有着极其重要的意义。
.......