氧化鋅-石墨烯復(fù)合回音壁模微腔受激輻射研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙、寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度約為3.37 eV、室溫下激子束縛能高達(dá)60 meV，這使得ZnO成為短波長(zhǎng)光電功能材料與器件的重要候選者。近年來(lái)，關(guān)于ZnO紫外激光的研究揭示了回音壁模(whispering gallery mode，WGM)激光高品質(zhì)因子和低閾值的特點(diǎn)，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。盡管ZnO微米棒、納米線等具有天然的六邊形截面結(jié)構(gòu)，有利于形成WGM激光，但是隨著腔體尺寸的減小，其光學(xué)損耗也是不

2、可避免的。因此，如何減小微腔的光學(xué)損耗，降低激射閾值和提高激光的強(qiáng)度及品質(zhì)因子，就成為一個(gè)很有意義的研究課題。大量研究表明金屬表面等離子體能顯著增強(qiáng)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能，然而金屬表面等離子體的不易調(diào)控及較大的歐姆損耗嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。石墨烯，作為材料領(lǐng)域的一顆新星，以其獨(dú)特的物理、化學(xué)及光學(xué)性能引起了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯類(lèi)金屬的特點(diǎn)使其具有表面等離子特性，而且石墨烯表面等離子體可以通過(guò)摻雜及電壓調(diào)控等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，有著更廣泛的應(yīng)用前

3、景。目前關(guān)于石墨烯表面等離子體的研究大多集中于太赫茲領(lǐng)域，其在紫外的響應(yīng)研究較少。極少的關(guān)于石墨烯紫外響應(yīng)及其增強(qiáng)ZnO材料發(fā)光的研究也存在機(jī)理解釋不清楚、缺乏關(guān)于石墨烯表面等離子體與ZnO發(fā)光耦合的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。針對(duì)上述問(wèn)題，我們利用氣相傳輸法制備了ZnO微腔（微米棒、微米帶及亞微米尺寸的微米棒等），利用CVD方法制備了高質(zhì)量單層石墨烯樣品，以單層石墨烯覆蓋ZnO微腔，制作了復(fù)合微腔結(jié)構(gòu)，主要研究了以下三方面的內(nèi)容:
　　1、以

4、單層石墨烯覆蓋ZnO微米棒，制作了石墨烯/ZnO微米棒復(fù)合WGM微腔。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了石墨烯表面等離子體對(duì)ZnO的光場(chǎng)限域和熒光增強(qiáng)現(xiàn)象。利用時(shí)間分辨光譜技術(shù)研究了石墨烯表面等離子體和ZnO激子之間耦合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，研究結(jié)果表明石墨烯表面等離子體能顯著提升ZnO激子復(fù)合效率，進(jìn)而增強(qiáng)ZnO發(fā)光。在功能應(yīng)用上，石墨烯包覆的復(fù)合微腔相對(duì)于原來(lái)的ZnO微腔在激光性能上得到明顯改善。該研究為石墨烯表面等離子的紫外響應(yīng)提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

5、。
　　2、以ZnO微米帶為基礎(chǔ)，研究了微米帶中F-P激光的產(chǎn)生機(jī)制。在紫外光(325 nm)激發(fā)下，微米帶矩形截面兩側(cè)發(fā)出明亮的藍(lán)紫色光，為微米帶中F-P激光產(chǎn)生提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。利用石墨烯表面等離子體對(duì)光場(chǎng)的限域，減少了界面處的光學(xué)損耗，使得F-P激光性能得到明顯改善。
　　3、在系統(tǒng)研究ZnO WGM激光與微米棒直徑之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，在亞微米(600 nm)尺寸的微米棒中實(shí)現(xiàn)了單模激光。利用石墨烯表面等離子體對(duì)光場(chǎng)