论文部分内容阅读
氧化锌（Zinc Oxide,ZnO）,是一种具有3.37 eV的宽直接带隙、60 meV的高激子束缚能半导体材料。ZnO所具有的这些独特物理优势使其很容易获得紫外激光,并适合用于制备室温甚至更高温度下的高效受激发射器件。近年来,ZnO半导体材料的紫外光电特性,尤其是激光特性一直备受国内外研究学者的关注。尽管ZnO微米棒、纳米线等具有天然的六边形截面结构,有利于形成回音壁（Whispering gallery mode,WGM）激光,但其光学损耗也是不可避免的。如何减少微腔的光学损耗,降低激射阈值和提高激光的强度及品质因子,就成为一个很有意义的研究课题。随着等离激元光子学（Plasmonics）的发展,表面等离激元增强半导体材料的发光性能引起了人们的广泛关注。入射光引起的金属纳米结构表面自由电子的集体振荡,能够将光场能量高度局域在金属结构表面,并表现出极强的近场增强特性。石墨烯类金属的特点同样使其具有表面等离子特性,而且石墨烯表面等离子体可以通过掺杂及电压调控等方式进行调节,有着更广泛的应用前景。利用金属、石墨烯材料这一奇特的物理效应,能够有效提升ZnO材料本征发光效率,并设计和构建基于半导体材料复合金属纳米结构和石墨烯的新型光电子器件。本文旨在利用ZnO微纳结构构建回音壁模微腔,实现与金属局域表面等离激元及石墨烯表面等离激元更为高效的耦合,既利用WGM微腔光场和表面等离激元都集中于界面附近所形成耦合的物理优势,又可用ZnO在紫外区的高增益为表面等离激元的短波响应提供高效补偿,将氧化锌和金属/石墨烯的优点结合起来,形成氧化锌/金属、氧化锌/金属/石墨烯、氧化锌/石墨烯/金属等复合结构,研究金属/石墨烯对氧化锌微纳米材料光学性能的影响。本论文的主要内容如下:1.利用气相传输法、离子溅射等方法分别制备了形貌可控的ZnO微纳结构、石墨烯和金属纳米颗粒（metal NPs）,分析并优化原料配方、气氛、溅射温度、时间、电流等工艺条件。利用SEM、EDS、XRD、TEM等形貌与结构表征手段揭示了ZnO微纳材料、石墨烯和金属纳米颗粒的结构特征和生长机理。利用微区光谱、吸收光谱和拉曼光谱等技术系统表征了ZnO微纳结构、石墨烯和金属纳米粒子的光学特性。2.利用室温PL光谱测量技术,结合时间分辨光谱与变温光谱技术,在ZnO微米碟与金纳米粒子（ZnO/Au-NPs）复合体系中,不仅观察到了ZnO自发辐射增强,还提出了Au表面等离激元辅助的电子转移机制,有效提高了ZnO本征发光强度,并抑制了缺陷发光。同时系统分析了ZnO激子、光子、声子等之间的相互作用,发现修饰Au纳米颗粒前后ZnO自发辐射的蓝移现象可以归因于Au表面等离激元的引入产生了BM效应,造成电子跃迁带隙展宽,从而导致谱线蓝移。3.将金属Al和石墨烯同时引入ZnO微腔中构建了Graphene/Al-NPs/ZnO（GAZ）的复合WGM微腔,利用飞秒激光和微区光谱技术系统研究了其自发辐射和受激辐射增强的过程。当ZnO微米棒修饰Al纳米颗粒后,其激光强度增强了10倍;当石墨烯转移到Al/ZnO微腔上时,其激光强度进一步增加了5倍以上。因此,由于在石墨烯/Al纳米颗粒表面等离激元的协同耦合作用,在GAZ复合WGM微腔中观察到了50多倍的激光增强。此外,GAZ复合WGM微腔的激射阈值比纯ZnO降低了一半。金属Al不仅可以使ZnO表面粗糙化,并使石墨烯表面等离激元与ZnO激子形成高效耦合,同时具有紫外短波区域的等离子体响应,可以与ZnO本征发光形成有效的共振耦合,增强ZnO发光。4.结合ZnO微腔回音壁模效应和石墨烯/金属Ag纳米颗粒构建了ZnO/Graphene/Ag复合WGM超灵敏SERS基底。这个新型复合SERS基底对生物探针分子实现了超高的灵敏度检测,其增强因子达到了0.95×1012,且具有超低检测极限,低至10-15 M。其显著增强的拉曼信号不仅与ZnO几何微腔结构的WGM光场限域效应有关,而且也离不开石墨烯辅助的电子转移和Ag表面等离激元的耦合作用。