纳米zno在可见和紫外波段的激子发光

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1、第卷第期黑龙江大学自然科学学报刀年月,文章编号一一一纳米在可见和紫外波段的激子发光’,’,’,宋国利孙凯霞陈保久杨幼桐刘慧英,哈尔滨学院物理与电子工程系黑龙江哈尔滨夕集美大学基础部,福建厦门仪幻摘要纳米结构及稀土离子掺杂发光在蓝蓝绿可见波段和紫外波段存在受激发射,可能成为制备短波长激光、发光半导体重要的候选材料基于量子限域一发光中心模型,分析了纳米的激子发光和缺陷发光机制,指出纳米结构在蓝蓝绿可见波段和紫外波段发光是通过晶粒内部带隙间的激子复合发光关键词纳米激子发光中心量子限域效应中图分类号文献标识码引言近年来,低维结构发光的研究有了长足进展,主要表现在量子阱及超晶格的发光使发光跃迁局限于激

2、子态多孔硅的发光显示量子尺寸效应纳米材料掺杂中心的发光单粒子发光上转换及量子剪裁现象紫外、蓝蓝绿、红外发光的获得等、,由于具有量子限域效应浦叭压双小尺寸效应和表面效应等重要的结构特性纳米结构及稀土离子掺杂发光,实现了室温下光泵浦可见和紫外的受激发射,成为目前国际上纳米材料领域,叨和发光材料领域里的研究热点之一引起了人们极大关注,以对纳米结构及稀土离子掺杂发光的研究发现,及稀土离子掺杂发光的显著优势是在蓝蓝绿可见波段和紫外波段存在受激发射,在紫外到蓝光波段的带边发光很强,有可能成为制备短波长激光、发光半导体重要的候选材料,是很有潜在价值的发光材料纳米发光为六方结构的直接宽禁带一族半导体材料,具

3、有大的激子束缚能叮犯,生长温度低,高的化学稳定性以及室温下宽的禁带隙,是一种合适的用于室温或更高温度下的可见和紫外光发射材料已有,,,文献报道低温下电子束泵浦体材料的紫外受激发射但受激发射强度随温度升高迅速淬灭原应在于体材料的缺陷增多年,和等人首次报道【光泵下纳米结构薄膜中的紫外受激发射以二,利用激子在纳米结构中的量子尺寸效应,在室温下成功地观测到薄膜中的紫外受激发射自年以来等人分别报道了薄膜和多层膜的紫外受激发射卜,最近,文献和问等分别报道了纳米的表面修饰和纳米粉体的蓝蓝绿可见和紫外受激二二,发射又和又见图收稿日期一一基金项目加年黑龙江省教育厅科学技术研究指导项目加哈尔滨学院科研基金资助项

4、目作者简介宋国利阴一,男,黑龙江哈尔滨人,副教授,主要研究方向氧化物纳米颗粒制备及非线性光学性质研究黑龙江大学自然科学学报第卷绷珊脚匆卜匕厂卜纳米激子发光机制对纳米结构发光现象的研究主要基于电子跃巴口︵﹁补篡迁选择定则、量子限域效应、缺陷能级和杂质能级等方面,涉及量子力学、固体物理、半导体物理、发光学和光谱学等多个学科领域研究发现,当半导体纳米结构尺寸与体材料的激子半径可比拟时,出现量子尺寸效应,其发光性质与大颗粒体材料具有明显的不同,主要表现为发光强度的变化和光谱的频移发光波长,,女引,图试〕粉体在印℃叹℃印℃和下女石皿和强度与晶粒的尺寸相关显示出发光跃迁的量,受激发射的光致发光谱子尺寸效

5、应量子尺寸效应主要表现在半导体纳米粒子电子结构的变化上,能级分裂、带隙出现宽化等纳米结构半导体的发光来源于电子和空穴的激子辐射复合发光由于纳米结构的小尺寸效应,表面效应的原因,零维量子点具有较强的量子限域效应,使电子和空穴运动基本上局限于晶胞尺度的体系考虑到这种强的量子限域情况,在强限域的量子点中,带边电子态能量可用有效质量近似,公式来描述这是激子态的最低能量本征态。,二,一,一,尸加,,,二。一十。十一’,式中仍为半导体纳米粒子的吸收带隙乓为体材料带隙为粒径为粒子的复合有效质量,其中和。分别为电子和空穴的有效质量式中的第二项为量子限域能,导致光谱蓝移第三项为电子—空穴对的作用能,来自界面介

6、电限域效应及界面电荷或界面偶极,这种介电限域效应导致红移凡才矿’,为介质对纳米粒子带隙的影响,该项对红移大小产生影响通常的半导体纳米粒子中,第二项远大于第三项,可以忽略第四项为表面极化作用通常情况下很小公式表明,随着粒子尺寸的减小,量子限域能增大,有效带隙增宽,其吸收光谱和荧光光谱发生蓝移由于量子限域效应,电子和空穴的波函数重叠增强,产生激子激子的振子强度为一△。粤式中。为电子质量,△为跃迁能量,拌为跃迁偶极矩,激子波函数的重叠因子犷将随粒径减小而增大,导致吸收和发射谱蓝移这实际是量子限域效应结果半导体纳米颗粒光泵浦激发后产生电子一空穴对激子,电子与空穴复合可能的途径有导带电子与俘获的空穴复

7、合俘获的电子与价带的空穴复合这种直接复合产生激子态发光由于纳米结构有宽的禁带隙、大的比表面积,材料界面中的空穴浓度大,小尺寸效应导致电子的平均自由程局限在纳米空间,与激发波长相当,进而引起电子和空穴波函数的重叠,易形成激,子由于量子限域效应和电子与空穴之间的作用高浓度激子在能隙中靠近导带低形成激子能级见图,激发能被在禁带中分立的中心吸收,产生激子发光带可见,半导体纳米结构发光机制在于纳米结构材料,内部的量子限