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从原子尺度对半导体材料的电子能带结构和载流子动力学进行人工优化,对于提升现有半导体功能器件性能和设计新型光电子器件,尤其是纳米尺度的功能光电子器件,是一个极其重要的科学问题。除了传统的化学掺杂和原子尺度的材料生长构建同质结和异质结外,弹性应变工程被认为是另外一种具有广阔前景的手段。尤其是进入到微/纳米尺度以后,半导体材料往往具有比相应体材料大得多的弹性模量和极限弹性应变,表现出超强和超柔韧性。这使得在原子尺度通过弹性应变连续并可逆地调制其光学、电学、电子能带结构和载流子动力学等性质成为可能。因此,随着纳米科技的不断发展,半导体纳米材料的应变工程及其在功能器件中的应用一直是人们关注和研究的热点。 本论文主要研究了弹性应变对准一维ZnO微/纳米线的物性调制规律。主要内容包括:(1)准一维ZnO微/纳米线的CVD生长与结构表征;(2)弹性应变对准一维ZnO微/纳米线声子结构的调制;(3)弹性应变对准一维ZnO微/纳米线发光和能带结构的调制;(4)应变梯度对ZnO微/纳米线激子动力学特性的调制;(5)弯曲应变对ZnO微/纳米线光电输运性质的影响。本论文研究取得主要结果如下: 1.利用简单的CVD方法制备了准一维ZnO微/纳米线,经XRD、SEM、TEM和PL等手段在形貌、结构、组份和发光方面的表征,结果表明合成的准一维ZnO微/纳米线具有较高的晶体质量。 2.结合高精度步进电机拉伸台和共聚焦微区拉曼光谱,系统研究了沿c轴方向的拉伸应变对不同直径ZnO纳米线声子的调制规律。研究发现,除了A1TO声子外,其他声子模式E2H、E1TO和2nd-order的频率均随着c轴拉伸应变发生线性红移,并且这种线性调制具有强烈的尺度依赖性。当ZnO线的直径从2.7μm减小到500 nm时,E2H声子频率的应变势绝对值从1 cm-1/%增加到3 cm-1/%。通过对纯弯曲ZnO微米线进行拉曼的Mapping研究发现,除A1TO声子外,局域拉伸和压缩应变分别导致E2L、E2H和2nd-order声子频率的线性红移和线性蓝移。提出了一种原位无损伤“自校准”探测ZnO半导体微/纳米结构中应变分布的新方法。 3.利用共聚焦微区PL光谱系统研究了沿c轴方向拉伸应变对ZnO纳米线发光和能带结构的调制规律。研究表明ZnO纳米线的能带带隙随拉伸应变增加线性减小,并表现出尺度依赖性。利用CWCL光谱系统研究了弯曲ZnO微/纳米线横截面内的CL光谱,发现对于直径在CL空间分辨率(~200 nm)范围内的弯曲ZnO纳米线,其整个弯曲横截面的CL光谱相同,并且发光峰随弯曲应变线性红移;对于直径远大于CL空间分辨率的弯曲ZnO微米线,其带边发光峰在压缩侧发生线性蓝移,在拉伸侧发生线性红移,即弯曲应变在整个弯曲横截面内形成空间连续变化的能带结构。 4.理论上分析了非均匀应变场中半导体载流子和激子动力学的基本原理,进一步深入分析了具有恒定应变梯度的纯弯曲ZnO微/纳米线中激子的动力学机制。根据纯弯曲应变会在ZnO微/纳米线横截面内形成空间连续变化的带隙和激子势,提出了自由激子在激子势梯度作用下发生沿应变梯度方向定向漂移的动力学物理机制,以及束缚激子在激子势梯度作用下通过跃迁机制实现定向漂移的动力学物理机制。首次提出了考虑应变梯度效应的激子扩散-漂移方程来描述非均匀应变场中半导体激子动力学过程:(6)n(r,t)/(6)t=-μF(6)n(r,t)/(6)r+D(6)2n(r,t)/(6)r2-n(r,t)/τ 5.利用CWCL系统、超高时间和空间分辨的TRCL系统以及TRPL系统在不同温度下对纯弯曲ZnO微/纳米线激子发光动力学过程进行了系统定量的实验研究,首次从实验上证明了纯弯曲ZnO微/纳米线中束缚激子可以被应变梯度诱发的等效内建场驱动并沿着应变梯度向具有较低激子势的弯曲外侧边缘定向漂移。通过实验测量与激子扩撒-漂移动力学模型拟合,得到实验用的纯弯曲ZnO微米线中性施主束缚激子的平均迁移率为1400±100 cm2eV-1s-1。 6.在空气和高真空(8×10-6 torr)氛围中研究了具有良好欧姆接触的弯曲ZnO微米线在局域UV激光照射不同弯曲应变位置时的光电响应性质。研究发现,在空气中,弯曲应变对ZnO微米线的UV光电响应速度具有显著的增强效应;而在高真空氛围中,弯曲应变对ZnO微米线的UV光电响应速度没有明显的影响。提出了一种弯曲应变对电子能带结构的空间调制、压电极化电场与ZnO微/纳米线表面氧分子吸附/解吸附过程在UV光照下相互耦合的物理机制。