一維半導體納米結構的組分調制及其納米信息器件研究.pdf

1、一維半導體納米結構是構建集成器件最基本的結構單元，以其優異的物理化學性質在新型納米光電器件研究中有著重要的應用價值和廣闊的前景，吸引了科學界和學術界的廣泛關注。決定半導體性質的關鍵參數有很多，其中，帶隙是決定半導體材料性質的最關鍵參數之一，影響半導體材料的吸收和發射特性。然而自然界中存在的半導體材料種類非常有限，材料帶隙的局限性給半導體納米信息器件的應用帶來很多不便。研究人員為了克服天然半導體材料帶隙的所帶來的局限性，進行了很多帶隙調制

2、方面的出色研究工作。拓寬了可用材料的帶隙范圍，為下一步基于材料帶隙的研究工作提供了廣闊的空間。同時，研究人員通過實驗手段將不同帶隙的半導體材料在單基片上集成，并且實現帶隙連續遞變，為大規模集成器件應用邁出了重要一步。甚至，在單納米線尺度上實現了帶隙的連續可調?？紤]到在納米尺度下帶隙調制的重要性，為了進一步深入研究帶隙多樣化在納米信息器件中的優異性能，基于單納米結構的帶隙調制工作值得不斷深入研究和討論。
　　本論文利用常用的納米材料

3、制備手段，例如，化學氣相沉積法和水熱法等通過改進實驗裝置制備出了具有特殊帶隙結構的一維半導體納米結構，特別是在單個納米結構中實現了帶隙調制。同時，利用這些獨特的納米結構設計并構建了幾種新型的納米信息器件，對相應的器件性能進行了系統研究。代表性研究成果歸納如下：
　?。?）將步進電機輔助反應源移動裝置整合到傳統化學氣相沉積系統中，在高溫條件下實現了固體粉末源的替換。利用這一裝置，首次設計并實現了組分對稱遞變CdSxSe1-x(x=0

4、~1)合金納米線，實現了沿納米線軸向帶隙對稱調制。這些高結晶質量的納米線，構成了天然的一維諧振腔，用于制作納米線激光器。更加重要的是，設計了獨特的"寬-窄-寬"對稱帶隙遞變結構，這種納米結構的發光沿軸向從中間的紅色（CdSSe合金）向兩端逐漸遞變到綠色（CdS）。研究表明，在組分對稱遞變納米線中光從中間向兩端帶隙增加的方向傳輸時，類似于無源波導過程，這樣有效地降低了由于自吸收導致的能量損耗問題。相比較傳統均一組分納米線，利用這種對稱結構

5、構建的納米線激光器的閾值大大降低。這也是我們首次報道了通過有效降低光在傳輸過程中的自吸收損耗來減小納米線激光器閾值。
　?。?）利用化學氣相沉積法，通過改進實驗方案，制備了軸向納米線異質結構。本實驗過程克服了高溫腔體內固體粉末蒸發源難于控制的難題，成功合成了單異質結CdS/CdSxSe1-x，雙異質結CdS/CdSxSe1-x/CdS納米線，窄CdSxSe1-x段異質結納米線等一系列異質結構，微結構表征說明這些納米線具有很高的結晶

6、質量，高分辨電鏡結果也證實界面非常清晰。我們利用共聚焦近場光學顯微鏡對材料的光學性質進行系統表征，當激光在納米線中部激發時，光向納米線兩端部傳播過程，可以最大限度避免自吸收導致的能量損耗，大大提高傳輸效率，是一個理想的無損耗波導腔。同時，我們通過實驗對比研究了傳統組分均勻合金納米線、組分對稱遞變納米線和異質結納米線的波導損耗情況，結果表明光在納米線中傳播相同距離后，異質結納米線的波導損耗最小。利用這些特殊的帶隙突變結構，我們在室溫下實現

7、了高質量的納米激光器，并且這些納米激光器具有低閾值，窄線寬等優異的性能。
　?。?）利用化學氣相沉積方法，通過多步反應合成了一種CdS0.49Se0.51/CdS0.91Se0.09合金納米帶橫向異質結結構。這種異質結納米帶中間組分是合金CdS0.91Se0.09，兩邊外延生長了CdS0.49Se0.51，并且沿單個納米帶寬度方向實現帶隙的躍變。在紫外光照射下，單納米帶的兩側發光為紅色，中間部分發光為綠色，分別對應來自于不同組分的

8、帶邊發射，沿其寬度方向呈現出"紅-綠-紅"的三明治結構?；谶@一特殊的異質結構，利用電子束曝光技術制成異質結光探測器，對比純組分CdS納米帶光探測器，異質結納米帶探測器具有寬的光譜探測范圍(FWHM160nm)，高的靈敏度(1.16×103A/W)，高的開關比（106），高的量子效率（106）。
　?。?）通過多步化學法合成了一種半導體-電介質-金屬（CdS-SiO2-Au）復合納米結構，研究了由于表面等離子體共振導致CdS帶邊發