ZnO納米結構陣列的製備、光學性能及套用研究

《ZnO納米結構陣列的製備、光學性能及套用研究》是依託中山大學，由楊玉華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：ZnO納米結構陣列的製備、光學性能及套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊玉華
• 依託單位：中山大學

中文摘要

對已製備出ZnO納米結構的自組裝方法進行深入改進，在單晶矽襯底上實現密度和尺度可控的ZnO納米結構自組裝生長；結合化學氣相沉積與高溫高壓脈衝雷射沉積方法，實現ZnO納米錐、納米柱有序陣列的製備。對ZnO納米結構陣列進行光致發光（PL）、陰極射線致螢光光譜（CL）測試，並在近場光學分析系統中對單根ZnO納米錐、納米柱及小區域範圍內的納米陣列進行光學性能測試分析，研究ZnO納米材料的形貌結構對其光學性能的影響；根據ZnO納米材料的幾何結構特徵，將其作為納米尺度的光學諧振腔（F- P腔及基於WGM模的諧振腔），分析紫外光及可見光在腔中的傳輸特性並對其中WGM模發光增強現象進行研究，利用時域有限差分法（FDTD）對光在腔中的傳輸行為進行模擬分析並最佳化設計腔的幾何結構。根據實驗和理論研究結果，調整ZnO納米結構陣列的生長條件，製備出具有優異性能的基於ZnO納米結構陣列的光學諧振腔。

結題摘要

“ZnO納米柱陣列的製備、物性及其在光電器件上的套用研究”研究工作已按計畫順利完成。按照項目計畫書中的任務安排，“準一維ZnO納米結構陣列的製備工藝研究”，“ZnO納米柱陣列的發光性能的分析研究”以及“ZnO納米結構陣列的光學性能改善及光學諧振腔設計的理論研究”三項任務都已基本實現。合成了準一維ZnO納米柱、納米片以及具有中空結構的ZnO柱陣列，並針對上述納米結構的結構特點開展了相關的光學性能測試及套用研究。同時在項目進行過程中拓展了研究範圍，製備多種形貌的ZnO納米草、納米梳並將其發光及場發射性能的研究也納入到了本項目中，並取得了一系列較好的研究成果。其簡述如下： （1）在矽襯底上製備尺度及密度可控的ZnO納米柱、納米片。利用陰極射線致螢光光譜儀及顯微分光光度計測試分析單根ZnO納米柱、納米片的發光性能。結合其特殊的幾何結構，將其作為小尺度光學諧振腔展開套用研究。結果表明，ZnO納米結構在受激之後所發出的光將在納米結構內傳輸並發生全反射進而將在結構表面產生光的局域增強。實驗過程中分別採用高能電子束以及365nm雷射作為激發源使材料受激發光，兩種激發方式均獲得相同的測試結果。結合納米結構表面的粗糙度，系統地研究了ZnO納米結構受激後所發光在其內部的傳輸行為。 （2）在矽襯底上合成了具有中空結構的ZnO納米柱。理論分析與光學模擬確定中空結構的存在使得光線在柱體的中空部位出現局域增強，因此納米柱體的中空部位可作為一個納米尺度光源。實驗上利用高能電子束以及365nm雷射激發具有中空結構的ZnO納米柱，從兩種激發條件下所獲得的樣品發光像均可直接觀察到光強在柱體中心的聚集，測試結果證實中空結構對於光強在柱體中心的局域起到重要作用。另外，理論分析認為中空部位的尺度對於不同波段的光局域亦有重要影響。實驗上我們已合成出可以發射385nm以及500nm光波的ZnO納米光源，並且光源的最小尺度可分別控制在60nm以及150nm。 （3）製備了不同形貌ZnO納米梳及納米草陣列，並在材料的性能檢測中獲得良好的發光及場發射性能。實驗結果與相關機理表明，納米結構的形貌尺度及密度對其場發射性能產生重要影響，尖銳錐角以及大軸向尺度變化梯度都有利於其場發射性能的提高。結合晶體生長熱力學理論對樣品生長區溫度、氣體環境對其生長機制的影響展開研究，建立相應的ZnO納米結構生長物理模型。