纳米zno复合薄膜制备与光学特性研究

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1、博士论文纳米ZnO复合薄膜制各与光学特性研究摘要ZnO是重要的II一Ⅵ族半导体氧化物，属宽能隙直接带材料，因其激子结合能(60meV)比GaN(25meV)、ZnSe(22meV)高，能有效工作于室温(26meV)及更高温度，而且光增益系数(300cm‘1)高于GaN(100clIld)，使得ZnO迅速成为短波长半导体激光器材料研究的国际热点，相关文献在Nature、PhysicalReviewLetters、AppliedPhysicsLetters等著名刊物上屡见不鲜，例如意大利著名教授Wiersma在Nature上对ZnO随机激光器做了专题评论，

2、美国西北大学的H．Cao等在ZnO半导体粉末的荧光实验中观察到了随机激光辐射。·’为了寻求低成本制备高质量ZnO薄膜的方法并进一步探讨其在光电子器件中的应用，本文用Ti02及Si02作为缓冲层，利用电子束蒸发法制备了高质量的ZnO薄膜，成功地解决了ZnO薄膜与基底之间存在的晶格失配及热失配问题，并对其发光特性进行了研究。从理论上采用时域有限差分法(FDTD)分析了随机激光器中环形随机腔的谐振特性，并提出了适合随机激光系统的Maxwell．Bloch方程，研究了随机激光器的阈值及饱和模式数特性。研究发现，在石英玻璃基底上以Ti02为缓冲层生长的ZnO薄膜

3、，其晶体质量显著提高，实现了强的紫外光(UV)、强的紫光和弱的绿光的共发射；而在Si基底上同样采用Ti02作为缓冲层则成功制备了非晶态的ZnO薄膜，实现了非晶ZnO薄膜的高质量发光，从而降低了制备工艺要求，节约了生产成本；以非晶Si02作为缓冲层，在Si基底上采用保温处理的方法制备了高质量的ZnO薄膜，观察到了稳定单一紫外发光的新现象，使得其在光电子器件，特别是在紫外发光器件及紫外激光器中存在广阔的应用前景；线偏振光在ZnO薄膜背散射方向存在退偏振行为，同时发现其存在最佳退偏振角，等于对应的有效布儒斯特角，为研究无序系统中的多散射行为提供了一定的参考；

4、得到了随机激光器中环形随机腔的构成、形成条件以及模式特点，为随机激光器的设计提供了一定的理论基础；通过时域有限差分法对Maxwell．Bloeh方程的求解，得到了随机激光器中光的局域模式和饱和模式数等，为随机激光器的振荡频谱分布研究提供了有价值的参考。关键词：氧化锌薄膜，缓冲层，电子束蒸发，光致发光，随机激光，时域有限差分法，Maxwell．Bloch方程博士论文纳米ZnO复合薄膜制各与光学特性研究ABSTRACTZincoxide(ZnO)isanimportantII—VIsemiconductoroxidewithwidebandgap．Itse

5、xcitonbindingenergy(60meV)islargerthanthatofGaN(25meV)orZnSe(22meV)．Itisabletoworkeffectivelyatroomtemperature(26meV)，andevenathighertemperature．Itsgaincoefficient(300cm"1)islargerthanthatofGaN(100cm以)．’nlepropertiesofZnOasabovestimulateawideresearchinterestinthestudyofshortwave

6、semiconductorlasermaterial．PapersaboutZnOareaboundinginfamouspublications，suchasNature，PhysicalReviewLettersandAppliedPhysicsLetters．ProfessorWiersmahastokenaspecialtopicaboutZnOrandomI缸由inNature．ProfessorCaohasobservedtherandomlasingofZnOsemiconductorpowderatthefluorescenceexpe

7、riment．Inordertofindhigh-qualitylow-costZnOfilmpreparativemethods，andfurtherstudyontheapplicationsofZnOinoptoelectronicdevices，high-qualityZnOfilmshavebeendepositedusingTi02andSi02bufferlayersbyE-beamevaporation．Thelatticemismatchandthermalmismatchweredecreasedbyusingbufferlayer

8、．AndtheluminescencecharacteristicofZnOfilmWasst