镶嵌式半导体纳米颗粒材料的研究现状与展望

从高速全光器件和光电集成器件对材料的要求出发,报道各族半导体纳米颗粒镶嵌薄膜材料的研究近况,并对今后材料研究的主攻方向发表见解.

脉冲激光沉积法制备VO_2热致变色薄膜研究进展

基于半导体和金属间的相变特性,伴随着温度、电场、压力的变化,具有相关智能特性的VO2薄膜材料具有较大的应用潜力。本文主要阐述脉冲激光沉积技术在制备金属氧化物方面的物理过程和技术特点,详细介绍脉冲激光沉积制备VO2薄膜材料的工艺参数和国内外研究进展,并与几种常规制备方法进行对比,给出脉冲激光沉积掺杂对VO2薄膜材料特性的影响,以及采用脉冲激光沉积制备VO2纳米材料,讨论了脉冲激光沉积制备具有智能特性的VO2薄膜材料存在的问题和发展方向。

二氧化钒纳米点阵红外光学特性研究

针对二氧化钒纳米点阵从半导体到金属的可逆相变,考虑到点阵中各个点之间散射光的交互作用,基于VO2在不同温度和波长下的折射率和消光系数,以及小颗粒的吸收和散射特性,建立了VO2纳米颗粒的数学模型,研究了VO2纳米颗粒的相变光学特性.结果表明,随着波长变化,吸收截面相对散射截面占主导,金属相在980nm附近出现吸收峰值;随着温度变化,可见光区域的消光系数变化较小,而红外区域较大,其中在近红外区域的消光系数变化最大.在纳米点阵中,消光截面随着颗粒间距变化,当颗粒间距增大时,消光峰值出现红移,且峰值大小也会随之增大;当间距超过一定数值后,峰值反而会逐渐减小.采用多孔氧化铝掩模的方法,通过磁控反应溅射制备VO2纳米点阵,测试结果表明其透过率比薄膜的透过率高.

分层沉积GaAs/SiO_2纳米薄膜的结构和吸收光谱

应用射频磁控溅射方法分别在抛光硅片和石英玻璃片上分层沉积了GaAs/S iO2纳米薄膜。通过X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)及吸收光谱的测试,发现衬底温度、退火、氢掺杂等制备工艺对分层沉积的GaAs/S iO2纳米薄膜的微观结构和光学性质有明显的影响。本文对相关机理作了探讨。

掺铒硅基材料发光的研究进展

对近几年来几种掺饵硅基材料的发光特性及光致发光和电致发光的机理的研究进展作综合介绍,并对掺铒硅基材料发光今后的研究发展提出自己的一些看法。

氢对GaAs薄膜的钝化作用

报导了射频磁控溅射与沉积气氛掺氢相结合制备单层（13～20nm厚）高质量GaAs多晶态纳米薄膜的方法，研究了氢钝化对薄膜微观结构及光学性质的影响。对GaAs薄膜进行了X射线衍射、原子力显微镜、吸收光谱、光致荧光谱的研究分析．结果表明，衬底温度500℃的掺氢薄膜和520℃的薄膜呈面心立方闪锌矿结构，薄膜的晶团尺寸较大，微观表面较为粗糙，其吸收光谱出现了吸收边蓝移和明显的激子峰，带隙光致荧光峰强明显增加，说明氢在衬底温度500℃～520℃下对薄膜有重要的钝化作用。

磷扩散法制备p型ZnO薄膜

应用射频反应磁控溅射的方法,将ZnO薄膜沉积于高磷掺杂的n+型Si衬底上。在沉积和后退火过程中,磷向ZnO薄膜扩散并被激活,使ZnO薄膜由n型转化为p型,从而形成p型ZnO薄膜。X射线衍射分析(XRD)证明了所制备的ZnO薄膜都是高c轴取向的六角纤锌矿结构的薄膜。电学I-V关系曲线的整流特性和空穴浓度≥1.78×1018/cm3的霍耳效应测试结果证明了p型ZnO薄膜的形成。

同质缓冲层对ZnO薄膜光学性质的影响

利用射频磁控溅射技术,在单晶硅衬底上生长出高质量(0002)晶面取向的ZnO外延薄膜。通过XRD、AFM、吸收光谱、光致荧光发光谱的实验研究,发现加入适当厚度的、低温生长的ZnO同质缓冲层,可有效降低晶格失配和因热膨胀系数不同引起的晶格畸变。在衬底温度200℃、沉积时间5min的ZnO缓冲层上,以450℃衬底温度溅射ZnO薄膜主层,得到的ZnO样品的晶体结构、表面形貌和光学性质均有较明显的改善。

制备工艺对p型ZnO薄膜微观结构和电学特性的影响

本文报道溅射工艺、退火工艺和冷却方式对磷扩散法制备的p型ZnO薄膜的微观结构和电学特性的影响的实验研究。研究结果表明,ZnO薄膜的表面形貌、结晶度、内应力以及电学特性均与制备工艺条件有密切的关系。文章对这些关系的机理做了探讨和分析。

制备高质量ZnO光电薄膜的关键技术

提高ZnO薄膜的质量,使之适应制备光电器件的要求,是目前ZnO薄膜研究的一个主要问题。在对近年来人们在ZnO薄膜的制备上所作的工作进行调研的基础上,总结出对提高薄膜的质量有普遍参考价值的三种关键技术:“缓冲层”,“氢钝化”和“表面化学处理”。对三种关键技术的主要内容,及其在提高薄膜结晶质量与光电性能方面的效果和物理机制,作了较详细的介绍。并对这些技术提出了自己的一些见解。

论综合性研究型实验教学

基于研究型实验公选课《纳米材料的制备与结构测试》的教学实践,论述综合性研究型实验教学对推动实验教学改革,激发全校学生科研热情,提高学生实践能力、创新能力和科研能力的重要作用。

衬底离子束表面氮化对ZnO薄膜性质的影响

采用射频磁控溅射法在抛光硅片上沉积了一系列ZnO薄膜样品。通过对薄膜样品X射线衍射谱的分析、原子力显微图的观察、吸收光谱和荧光光谱的研究,发现Si衬底的离子束表面氮化对ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌和光学性质有重要影响。在衬底温度为200℃、高纯氩氧比例为3∶1、压强为1.5Pa的条件下,在经离子束表面氮化预处理的Si衬底上溅射沉积的ZnO薄膜,经450℃真空退火,成为高(0002)晶面取向的ZnO薄膜,并具有良好的光学性质。

磷扩散法制备高掺磷p型ZnO薄膜的磁控溅射工艺的探索

在前期通过n+-Si衬底中的磷向沉积于其上面的ZnO薄膜的扩散制备高掺磷p型ZnO薄膜的研究基础上,探索了较有普遍应用意义的扩散法制备p型ZnO薄膜的磁控溅射工艺。结果表明,当磁控溅射的氧氩质量流量比与衬底温度满足特定的低阶指数函数的匹配关系时,所制备的ZnO薄膜为p型,而且薄膜中磷原子的深度分布是均匀的;另外,这种薄膜的厚度随着氧氩流量比的增加而减小,而薄膜中氧锌原子浓度比都大于1,比值大小与氧氩质量流量比和衬底温度有关。

射频磁控溅射掺氮ZnO薄膜的制备与表征

以ZnO为靶材,采用射频磁控溅射法,在衬底温度为450℃、混合气体压强为1.3Pa的条件下,在石英玻璃和抛光单晶硅衬底上沉积了一系列呈六角纤锌矿结构、沿(0002)晶面高度取向生长的ZnO薄膜。利用X射线衍射、四探针、原子力显微镜、吸收光谱和光致荧光光谱等实验分别对薄膜样品的晶体结构、表面形貌和光电特性进行了分析表征。结果表明,氮对ZnO薄膜的缺陷有明显的钝化作用,气体组分、溅射功率是影响ZnO薄膜沿C轴择优取向生长、结构特征和光电性质的重要因素。

p-ZnO薄膜的制备及其微结构测试与分析

报道了几种不同的p型ZnO薄膜的制备工艺对其薄膜微观结构的影响.结果表明:ZnO薄膜的结晶度、C轴取向程度、内应力均与制备工艺条件有密切的关系,并对这些关系的机理做了分析和探讨.

制备工艺对ZnO薄膜的结构与光学性质的影响

利用射频磁控反应溅射技术生长出具有高度晶面(0002)取向的ZnO外延薄膜。通过AFM、XRD、吸收光谱和荧光光谱等测试手段,分别研究分析了不同衬底、不同溅射气氛和退火对ZnO薄膜结构及光学性质的影响。研究表明,在200℃低温生长的硅基ZnO薄膜具有几百纳米的氧化锌准六角结构外形;当氧氩比为4:1(质量流量比)时,吸收谱激子峰最佳;退火后,激子峰(363 nm)加强,同时出现了402 nm的本征氧空位紫光发射。

二氧化钒薄膜的变温红外光学特性研究

基于二氧化钒在约68℃出现的半导体到金属的可逆相变,伴随有电学和光学特性的改变。因为相变机制的复杂性,很难从理论上推导出相变前后光学常数随波长和温度变化的解析表达式。研究了二氧化钒薄膜的折射率和消光系数的色散规律,借助于Sellmeier色散模型通过数值拟合,得出了二氧化钒变温的光学常数色散表达式。通过薄膜矩阵理论计算,获得了在不同温度和波长条件下的薄膜光学透射率和反射率。采用磁控溅射方法分别在玻璃、蓝宝石和二氧化硅衬底上制备了不同厚度的二氧化钒薄膜,测量了这些薄膜的光学透射率和反射率,结果表明,实验曲线与计算模拟曲线符合得很好。

980nm半导体激光器双布拉格光纤光栅波长锁定器

提出了优化由两个均匀布拉格光纤光栅组成的980nm半导体激光器波长锁定器的方法以满足光纤放大器对半导体激光器的性能要求。运用耦合模理论推导了双布拉格光纤光栅(FBG)的透射率和反射率的解析表达式和波长锁定器增益方程。研究了两光栅之间的距离、光栅到激光器前端面的距离、光栅折射率、光栅折射率周期、光栅栅长和温度对激光器增益曲线的影响,并通过优化这些参数来达到最佳的锁模性能。测量了带双FBG波长锁定器的非致冷半导体激光器的输出光谱和出纤功率。实验结果表明:高功率非致冷980nm半导体激光器在0～70℃时的波长漂移为0.5nm,边模抑制比达45dB以上,半峰值全宽度<1nm。经优化设计的980nm半导体激光器FBG波长锁定器可满足光纤放大器对非致冷半导体激光器大功率、长寿命、高可靠性、小尺寸等性能的要求。

射频磁控共溅射GaAs/SiO_2纳米颗粒镶嵌薄膜的光学性质

应用射频磁控共溅射方法和真空退火方法制备了GaAs SiO2 纳米颗粒镶嵌薄膜 .X射线衍射实验结果表明 ,经高温退火的薄膜中形成了面心立方闪锌矿结构的GaAs纳米晶粒 ,晶粒平均直径为 1.5— 3.2nm .吸收光谱展示了由于强量子限域引起的 1.5— 2eV的吸收边蓝移 .室温光致荧光 (PL)光谱显示了电子 重空穴激子与电子 劈裂空穴激子的近紫外和紫外双PL谱峰以及深俘获态的PL谱峰 .对实验吸收边蓝移量与有效质量模型的蓝移量的悬殊差别、俘获态PL谱的形成以及PL谱线的特征作了解释 .应用激光Z扫描技术测量了退火温度为 5 0 0℃的复合膜在非共振条件下的光学非线性 ,结果表明 ,复合膜的非线性折射率系数和非线性吸收系数都比块材GaAs相应的系数增大了 5个数量级 .

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。