无机纳米颗粒及界面层协同改善倍增型近红外有机光电探测器性能

近红外有机光电探测器具有低成本、可溶液旋涂、生物兼容性好和柔性可穿戴等优势,在生物传感、医学成像、柔性可穿戴电子器件等领域有广泛的应用前景。倍增型有机光电探测器相比于二极管型有机光电探测器,因其具有更高的外量子效率(EQE>100%)和灵敏度而备受关注。该类器件利用电极附近被载流子陷阱捕获的一种载流子能辅助另一种极性相反的载流子从外电路隧穿注入到活性层中,实现光电倍增,但陷阱的数量在一定程度上会影响器件性能的进一步提升。本文通过在活性层中掺入无机ZnO纳米颗粒来增加电子陷阱数量,使得器件在反向偏压保持暗电流密度的前提下,亮电流密度得到提高。通过优化,发现当ZnO纳米颗粒掺杂比例为5%时性能最优,在850 nm LED照射、-15 V偏压下,与未掺杂ZnO纳米颗粒器件相比,亮电流密度提升了7.4倍。在此基础上,本文协同Al_(2)O_(3)界面修饰层,进一步改善器件性能。结果表明,Al_(2)O_(3)界面修饰层的插入可改善器件的阳极界面接触特性,使得器件在正向和反向偏压下都能够实现光响应。Al_(2)O_(3)修饰后的器件在15 V偏压、全光谱范围内,EQE最高可达10^(5)%,R最高达10^(4) A/W。本工作为高灵敏度有机光电探测器的发展提供了新的思路和方法。

低维InP材料的表征和生长机理研究

磷化铟作为一种重要的Ⅲ-Ⅴ半导体材料,由于其独特的光学和电学特性,近年来备受关注。大量的研究表明,它在光电子、催化、医学等领域具有潜在的应用前景。但目前在低维InP纳米材料的可控制备和大规模合成研究中还存在一些问题有待解决。针对上述问题,采用化学气相沉积法(CVD)在Si/SiO_(2)衬底上成功地制备了大量高质量的InP纳米线,并用原位生长法在多晶InP衬底上生长了大量的InP纳米柱。利用扫描电子显微镜(SEM)观察所制备的纳米材料的形貌,纳米线表面光滑,直径在30~65 nm之间,纳米线组成的薄膜厚度约为35μm;纳米柱直径分布为550~850 nm,纳米柱组成的薄膜厚度约为12μm。利用能量色散谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备的纳米材料的成分为InP。用拉曼光谱法测定了纳米材料的化学结构,并做了进一步的分析。透射电子显微镜(TEM)用于观察纳米材料的微观结构。研究发现,本研究制备的纳米线具有很高的结晶度,沿着[111]方向生长。使用选区电子衍射(SAED)分析纳米线晶体特性时发现了清晰的衍射点,表明其为单晶结构。使用光致发光光谱仪(PL)分析其发光特性,并进一步分析。最后,我们讨论了纳米线和纳米柱的形成机制,纳米线的生长遵循气-液-固(VLS)机制,纳米柱的生长遵循固-液-固(SLS)机制。这些研究为控制InP纳米材料的制备和大规模生产提供了更多可能性。

多孔n-GaN/p-Zn_(x)Cu_(1-x)S异质结的制备及紫外探测性能研究

本文首先采用紫外光辅助电化学刻蚀(UV-EC)方法制备出了孔隙密度为1.51×10^(10)cm^(-2)、平均孔径为38 nm的多孔n-GaN薄膜;随后在其上通过水浴法沉积了一系列Zn_(x)Cu_(1-x)S复合薄膜,x为0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,形成的多孔n-GaN/p-Zn_(x)Cu_(1-x)S异质结带隙在2.34~3.51 eV调控;最后基于这些异质结构建出p-n结型紫外探测器。I-V曲线结果表明这些探测器均具有良好的整流特性,特别是n-GaN/p-Zn_(0.4)Cu_(0.6)S探测器性能最优。在暗态下,I_(+3 V)/I_(-3 V)约为1.78×10^(5);在偏压为-3 V、光功率密度为432μW/cm^(2)(365 nm)的条件下,光暗电流比超过10^(3),上升/下降时间为0.09/39.8 ms,响应度(R)为0.352 A/W,外量子效率(EQE)为119.6%,探测率(D^(*))为3.21×10^(12)Jones。I-t曲线结果表明,多孔n-GaN/p-Zn_(x)Cu_(1-x)S异质结紫外探测器在连续开-关光循环过程中拥有稳定的光电流响应。该研究为制备异质结紫外探测器提供了一定的理论指导和实验数据。

微纳级GaN基VCSEL中周期反射结构与电子阻挡层的设置作用分析

氮化镓(GaN)基微纳米结构生长技术的成熟为微纳级GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的制备提供了新的途径。本文设计了基于GaN基轴向异质结微纳米柱的微纳级VCSEL结构,采用Al_(0.8)Ga_(0.2)N/In_(0.2)Ga_(0.8)N应变补偿结构作为上下分布式布拉格反射镜(DBR),其中Al_(0.8)Ga_(0.2)N层的Al组分远高于传统结构中的电子阻挡层(EBL),能够更好地起到电子阻挡的作用。本文使用商用软件PICS3D构建了电子阻挡层处于不同位置的VCSEL数理模型,并进行数值模拟计算,探索和分析物理机理,解释了不同位置EBL对空穴注入效率的影响。结果表明,采用Al_(0.8)Ga_(0.2)N与In_(0.2)Ga_(0.8)N组成的应变补偿DBR可以更好地提高空穴注入效率,优化器件光电性能。

基于光效和BP神经网络的LED结温预测研究

提出了一种发光效率结合BP神经网络的大功率LED结温预测方法。实验中发现LED的发光效率在结温升高至80℃左右将急剧下降,光效与结温的函数关系发生改变,进而影响了测量精度。针对这一问题,基于发光效率与结温的函数关系,构建实验平台,获取发光效率和相应结温的数据,然后通过BP神经网络建立LED结温预测模型。模型所得数据与正向电压法进行对比实验,最大误差为2.1℃,验证了所提方法的可行性,同时所提方法无需考虑LED的内部结构,能够简便,准确地预测大功率LED结温。

封装对聚合物太阳能电池性能和稳定性的影响

为了提高有机光伏器件的寿命,通常采用封装技术来限制太阳能电池在水氧中的暴露程度。尽管聚合物太阳能电池(organic solar cells,OSCs)封装领域的相关研究已取得系列进展,但文献中很少研究封装过程带来的损伤。以经典的聚-3已基噻吩为给体,[6,6]-苯基-C_(61)-丁酸甲酯为受体,通过将哌嗪作为第三组分提高器件稳定性,以氧化锌(ZnO)和三氧化钼(MoO_(3))为传输层材料制备倒置结构OSCs,系统考察大规模卷对卷器件封装中常用的紫外线(ultraviolet,UV)固化粘合剂对器件光电转化效率和稳定性的影响。结果表明,随着辐照时间的延长,UV胶封装器件的性能(开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转化效率)呈持续下降趋势,更换MoO_(3)/Al电极后老化器件性能恢复,证实MoO_(3)/Al界面破坏是器件性能衰减的重要原因。激光束诱导电流成像显示UV胶封装出现由边缘向中心的失效过程。据此,提出如下的降解机理:UV胶中的光引发剂在紫外光照射下会产生强的质子酸,产生的质子酸与MoO_(3)发生反应,阻碍了空穴的有效传输,最终使得器件效率大幅度下降。此外,还开发出一种有效的OSCs器件用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物膜封装工艺。本研究指出了UV胶固化粘合剂封装工艺的问题,同时也为提高聚合物太阳能电池的稳定性提供了新策略。

多孔GaN薄膜的制备与光学性能研究

将表面沉积有金纳米颗粒的GaN薄膜在H 2与N 2的混合气氛下进行高温退火,成功制备了多孔GaN薄膜。多孔GaN薄膜的表面形貌可通过退火温度、退火时间及金沉积时间等参数进行调控。利用高分辨X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱表征了不同GaN结构的晶体质量,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN薄膜的位错密度和残余应力均有所降低,在退火温度为1000℃时其位错密度最小,应力的释放程度较大。采用光致发光(PL)光谱表征了其光学性质,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN薄膜的发光强度显著提高,这可归因于多孔结构的孔隙率增大,有效增加了光的散射能力。此外,通过电化学工作站测试了不同GaN结构的光电流密度,结果表明,具有更大比表面积的多孔GaN薄膜在作为工作电极时,光电流密度是平面GaN薄膜的2.67倍。本文通过高温刻蚀手段成功制备了多孔GaN薄膜,为GaN外延层晶体质量与光学性能的提升及在光电催化等领域中的应用提供了一定的理论指导。

AlGaN/GaN纳米异质结构中的二维电子气密度研究

本文设计了纳米线核壳AlGaN/GaN异质结构,研究了势垒层厚度、Al组分、掺杂浓度对平面和纳米线异质结构中二维电子气(2DEG)浓度的影响规律。结果表明,随着势垒层厚度的逐渐增大,两种结构中2DEG浓度增速逐渐减缓,当达到40 nm后,由于表面态电子完全发射,2DEG浓度逐渐稳定不变。随着Al组分的增加,极化效应逐渐增强,使得两种结构在异质界面处的2DEG浓度都逐渐增加。当掺杂浓度逐渐提高时,两者在异质界面处电势差增大,势阱加深,束缚电子能力加强,最终导致2DEG浓度逐渐增加,当掺杂浓度增加到2.0×10^(18)cm^(-3)后,2DEG面密度达到最大值。与平面结构相比,纳米线结构可以实现更高的Al组分,在高Al组分之下,2DEG面密度最高可达5.13×10^(13)cm^(-2),相比于平面结构有较大的提高。

组分阶梯InGaN势垒对绿光激光二极管光电性能的影响

为探究不同铟(In)组分In_(x)Ga_(1-x)N势垒对绿光激光二极管光电性能的影响,本文采用SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)仿真软件对一系列具有不同In组分In_(x)Ga_(1-x)N势垒的激光二极管进行研究,结果发现In_(x)Ga_(1-x)N势垒中In组分最佳值为3%,此时结构的斜率效率最高,内部光学损耗最低,光学限制因子最大,性能最优。在具有In_(0.03)Ga_(0.97_N势垒的多量子阱结构基础上,设计了一种组分阶梯(composition step-graded,CSG)InGaN势垒多量子阱结构,提高了激光二极管的斜率效率和电光转换效率,增加了光场限制能力。仿真结果表明,当注入电流为120 mA时,具有CSG InGaN势垒的多量子阱结构,电光转换效率从17.7%提高至19.9%,斜率效率从1.09 mW/mA增加到1.14 mW/mA,光学限制因子从1.58%增加到1.62%。本文的研究为制备高功率GaN基绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

激光照明用荧光材料的研究进展

半导体激光器具有亮度高、传输距离远等优点,特别适用于特殊照明领域(如激光车灯、投影显示等)。简述激光照明的实现方式以及目前存在的主要问题,重点综述稀土、半导体、碳点3种荧光材料在激光照明中的研究进展。稀土作为目前最常用的激光照明用荧光材料,主要有稀土荧光粉、荧光陶瓷、荧光玻璃3种形式,具有光热稳定性高等优点,但资源不可再生和价格昂贵等限制了其进一步应用;半导体荧光材料主要有以CdSe和ZnS为代表的第二代半导体量子点材料、以SiC和AlN为代表的第三代半导体材料和钙钛矿材料,第二代半导体量子点材料和第三代半导体材料具有发光效率高、性能稳定等优点,但受限于成本和工艺,钙钛矿材料具有带隙可调、可获得稳定的自发辐射等优点,但含有毒性元素且对环境的高度敏感性导致其稳定性较差;碳点荧光材料具有发光波长可调、低毒性等优点,主要有光转换材料和增益介质2种形式,但目前在激光下的热稳定性欠缺。最后,对未来激光照明用荧光材料的发展前景进行展望。

AlGaInN/InGaN应变补偿DBR结构设计

设计了中心波长为520 nm的AlGaInN/InGaN应变补偿分布布拉格反射镜(DBR)结构,通过调节组分参数实现应变补偿,使DBR整体应变为0,采用传输矩阵法,计算了Al_(0.7)Ga_(0.3-x)In x N/InGaN DBR、Al_(0.8)Ga_(0.2-x)In x N/InGaN DBR、Al_(0.9)Ga_(0.1-x)In x N/InGaN DBR的反射光谱。通过对DBR结构参数进行对比,优化了其结构和反射性能。首先对比高低折射率层生长顺序,发现对于Al_(0.8)Ga_(0.14)In_(0.06)N/In_(0.123)Ga_(0.877)N DBR,先生长高折射率层时,反射率高达99.61%,而先生长低折射率层时,反射率仅为97.73%;然后对比奇数层DBR和偶数层DBR,发现两者的反射谱几乎重合,没有显著区别;通过研究DBR对数对反射率的影响,发现对数在20~30对时,反射率随着对数的增加明显上升,30~40对时反射率增长缓慢;最后研究了材料组分对反射谱的影响,发现Al组分高的DBR折射率差大,反射性能更优,而相同Al组分的AlGaInN中In含量越低反射率越高。考虑到DBR制备过程中可能出现的厚度和组分偏差,模拟了厚度和组分出现偏差时反射谱的变化,发现高低折射率层厚度每增加或减少1 nm,反射谱红移或蓝移4~5 nm;而组分的偏差使高反射带带宽和中心波长处反射率发生明显变化。本文的研究为AlGaInN/InGaN DBR的设计和制备提供了一定的理论参考。

多孔GaN阵列结构的制备及其光电性能

以硝酸钠溶液作为腐蚀液,通过电化学和紫外辅助电化学相结合的两步法腐蚀GaN薄膜,制备出了多孔阵列结构。采用扫描电子显微镜(SEM)表征了多孔阵列结构的形貌,结果表明多孔GaN阵列结构排列整齐,孔径分布均匀,其平均孔径为24.1 nm,孔隙密度为3.86×10^(10 )cm^(-2),深度为2μm。利用X射线衍射仪(XRD)和Raman光谱仪表征了多孔GaN阵列的晶体结构,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN阵列结构的晶体质量更好,且具有较低的残余应力。使用光致发光(PL)光谱和紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱表征了GaN的光学性能,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN阵列结构的光致发光强度和光吸收能力有较大提升。通过电化学工作站对多孔GaN阵列结构的光电性能进行测试,在1.23 V偏压下,多孔GaN阵列结构的光电流是GaN平面结构的约3.36倍,最大光电转化效率ηmax是平面GaN薄膜的约3.5倍。该研究为多孔GaN阵列结构的应用提供了一定的实验数据和理论指导。

GaN基绿光激光二极管发展现状及趋势

由于氮化镓(GaN)基半导体材料在外延生长技术、外延结构设计方面取得了显著的成果,GaN基绿光激光二极管已广泛应用在激光显示、光纤维通讯、生物医疗器件和光数据存储等领域。综述了绿光激光二极管的发展历程及研究现状;重点详述了导致GaN基绿光激光二极管输出功率低、光束质量差及可靠性差等问题的关键因素及解决方法;探讨了绿光波段量子阱的高In组分导致GaN基激光二极管光电性能骤降方面的问题;总结了制备高性能GaN基绿光激光二极管所面临的挑战仍是外延材料质量差、载流子泄漏严重和强极化效应引起的激射效率低等难题。同时,展望了GaN基绿光激光二极管向智能化和模块化方向发展的趋势以及研究重点。

1060 nm锑化物应变补偿有源区激光二极管仿真及其性能研究

本文设计了GaAs基1060 nm高性能激光二极管的有源区结构,通过在有源区中引入锑化物的应变补偿结构GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP,改变了有源区的能带结构,解决了禁带宽度对发光波长的限制,将弱Ⅱ型的量子阱能带结构变为Ⅰ型,增大了电子空穴的波函数重叠,提高了激光二极管跃迁概率和辐射复合概率及内量子效率,降低了非辐射复合,有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时,设计了非对称异质双窄波导结构,p侧采用导带差大、价带差小的AlGaAs作为内、外波导层,有利于价带空穴注入有源区且对导带中的电子形成良好的限制。n侧采用导带差小、价带差大的GaInAsP作为内、外波导层,有利于导带电子的注入且对价带中的空穴形成更高的势垒。电子注入势垒和空穴注入势垒分别由原先的218、172 meV降低到148、155 meV,提高了激光二极管的载流子注入效率;电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别由252、287 meV上升到289、310 meV,增强了载流子限制能力。最后获得的激光二极管的输出功率和电光转换效率分别达到了6.27 W和85.39%,为制备高性能GaAs基1060 nm激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

980nm渐变双波导激光二极管及其光电性能研究

为了提高980 nm激光二极管的光电性能,设计了Al组分内波导正向和外波导反向线性渐变的新型非对称双波导激光二极管。采用一维漂移扩散模型为理论基础,对新结构和传统结构进行了仿真模拟,并对比分析了两者的光电性能。光场分布表明,新结构通过改变波导折射率分布,减少了高阶模式数量,改善了基模的单模特性。能带排列表明,新型非对称双波导结构显著提高了电子和空穴泄漏的势垒,阻挡了载流子泄漏,增强了有源区的载流子限制能力,从而降低了有源区载流子浓度,提高了器件的内量子效率。与传统波导结构对比分析表明,新型非对称双波导结构激光二极管的阈值电流下降了27.65%,工作电压降低了15.24%。在注入电流为5 A时,输出功率达到5.36 W,电光转换效率达到78.06%。设计的新型波导结构提高了980 nm激光二极管的光电性能,对研发高性能激光二极管具有重要的理论指导意义。

基于有机-无机混合配体置换的蓝光量子点发光二极管性能

相较于红光和绿光量子点发光二极管(QLED),制备高效蓝光QLED仍然具有挑战性。比较研究了有机配体(辛硫醇,OT)、无机配体(ZnCl_(2))和有机-无机混合配体(OT和ZnCl_(2))置换原始油酸配体对量子点(QD)的光致和电致发光性能的影响规律及机制。实验结果表明,有机-无机混合配体置换对蓝光QLED的发光性能的提升效果最佳,ZnCl_(2)配体次之,辛硫醇配体最小,这主要归因于三种配体置换后量子点表面缺陷钝化以及量子点价带顶能级上移程度方面的差异。相较于原始油酸配体置换QLED,基于有机-无机混合配体置换量子点蓝光QLED的峰值功率效率和最高外量子效率分别约提高了2.08倍和1.89倍,最高亮度从2413 cd/m^(2)提高到了6994 cd/m^(2)。该研究为调控量子点表面化学性质和提高蓝光QLED性能提供了一种有效策略。

1300nm应变补偿量子阱激光器光电性能研究

为了提升1300nm半导体激光器的光电特性,采取k·p方法的激光器模拟软件SiLENSe设计了GaAsSb/GaAsP/InGaAsSb应变补偿激光器,调控了有源区的能带结构,并对该结构进行了仿真计算。结果表明,与传统InGaAsSb/GaAsSb有源区对比,应变补偿结构LD2阈值电流从135mA降低至95mA。在15 A的注入电流下,工作电压从138 V降低至125 V,其输出功率从107W提高到121W,电光转换效率从521提高至646。这主要由于在势垒中引入张应变改善了有源区的能带结构,从而使载流子的泄漏受到抑制,器件性能得到了显著提升。该有源区的设计将对制备高性能中红外单模半导体激光器具有重要的理论参考价值。

In原子替位位置对新型正交GaN影响的第一性原理研究

铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明,通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下,该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量,这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱,韧性以及硬度较低。此外,声子谱计算结果表明,间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。

Cu_(2)O/CeO_(2)异质结的制备与光电化学性能研究

通过电化学法在铜片表面生长Cu(OH)_(2)纳米线阵列,在氮气氛围下将其进行退火处理得到Cu_(2)O纳米线阵列,然后采用电沉积法在电极上沉积Cu_(2)O阻挡层和CeO_(2),制备得到Cu_(2)O/CeO_(2)异质结光阴极材料。利于扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)对材料的形貌和化学成分等进行表征,紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、线性扫描伏安法(LSV)和莫特肖特基曲线(M-S)等测试对其光电化学性能进行分析。实验数据结果表明,在0 V、RHE(可逆氢电极)下,Cu_(2)O/CeO_(2)光阴极的光电流密度达到-6.55 mA/cm^(2),相比仅Cu_(2)O的光电流密度(-3.67 mA/cm^(2))提升了1.78倍。随后,通过ALD(原子层沉积)制备TiO_(2)作为保护层,负载Pt作为析氢反应(HER)的助催化剂。最终Cu_(2)O/CeO_(2)/TiO_(2)/Pt光阴极的光电流密度达到-10.9 mA/cm^(2)(0 V vs.RHE),应用偏压光子-电流效率(ABPE)达2.02%。实验的研究成果对Cu_(2)O基光阴极材料在光电化学水分解领域的广泛应用具有重要意义。

电弧放电中纳米洋葱状富勒烯生成机理的研究

探索了用传统的电弧放电法、在现有的电弧放电装置中 ,通过改进放电工艺、添加催化剂制备纳米洋葱状富勒烯 (NanoOnion likeFullerenesNOLFs)的过程和工艺。用高分辨透射电镜 (HighResolutionTransmissionElectronMicroscopeHRTEM)对生成的NOLFs进行了形貌、结构的观察与表征。分析结果表明NOLFs晶化程度很高 ,直径均匀 (2 0～ 5 0nm)。生成的NOLFs可分为两大类 :(1)内包金属纳米微粒的NOLFs;(2 )单体NOLFs。对NOLFs的生成机理及催化剂对其直径、收率的影响进行了讨论。据此建立的汽 -液 -固 (Vapor Liquid Solid :VLS)生长模型可以解释实验中出现的一些现象。研究表明生成NOLFs的数量、直径分别与催化剂的活性及其尺寸有关。