宽带隙半导体纳米结构光学微腔的制备及其光学性质研究

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纳米光学微腔作为半导体微纳光子学研究的新兴领域备受人们关注。某些不同形貌的半导体纳米结构单元不但本身可作为光学微腔,同时它也是增益介质。它们是光学微腔研究领域的最基本载体之一,在纳米结构光学微腔研究中具有重要的意义。日前,广受关注的纳米结构光学微腔主要包括一维纳米带或者纳米线FP微腔和具有六边形截面结构的回音壁微腔,材料种类主要为制备技术相对成熟的ZnO和GaN,对于其它具有新奇结构和不同材料种类的光学微腔的研究较少。本论文研究工作主要从微腔结构制备和材料种类创新出发,利用简单的材料生长制备技术和共焦显微荧光光谱手段,研究了ZnO和In2O3不同纳米结构光学微腔的形成机理及其对光场的调控效应。具体内容包括三个部分:第一部分,ZnO纳米管和In2O3纳米线回音壁微腔的研究。这部分工作包括:(1)我们利用一种简单的氧化—蒸发过程,制备出表面光滑、具有规则六边形截面的单晶结构ZnO纳米管;首次将这种管状结构用作光学微腔,实验上直接观测到这种管状光学微腔对光场调制所形成的回音壁模式、FP模式和类波导共振模式等;分析了不同管壁厚度、微腔尺寸和不同检偏配置条件下光谱的共振响应信号。我们进一步研究了管状回音壁微腔调制的ZnO的激射效应。(2)我们利用改进的原位热氧化反应,制备出表面光滑、具有规则六边形截面的单晶结构In2O3纳米线,首次将这种材料用作光学微腔,在实验上直接观测到室温下In2O3纳米线回音壁微腔对光场调制所形成的可见光区的共振腔模信号;利用平面波模型和柯西公式对实验结果进行了理论分析,理论计算和实验结果符合较好。第二部分,ZnO多层六角纳米片结构和In2O3多面体结构FP光学微腔的研究。这部分内容主要包括两点:(1)采用改进的碳热还原技术,制备出单晶多层ZnO纳米结构,在实验上观测到二维六角面内形成的FP微腔对光场的调制信号,以及多级FP微腔调制的ZnO的激射效应。(2)采用原位热沉积技术,首次制备出表面光滑的In2O3单品多面体结构,实验上研究了这种多面体结构FP微腔对光场的调制效应,应用时域差分模拟方法对多面体微腔进行光场分布模拟,验证了这种多面体垂直FP微腔对光场的限制效应。第三部分,In2O3八面体结构光学微腔研究。采用原位热沉积技术,制备出完美In2O3单晶正八面体结构,首次实验研究了这种八面体结构光学微腔对光场的调制效应,我们提出一种蝴蝶结式共振模型,并讨论了微腔尺寸对共振腔模能量的影响。利用平面波模型和时域差分模拟方法对实验结果进行理论分析,理论计算和实验结果符合较好。
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