稀土硅酸鹽單晶納米線的可控合成及其光子學(xué)特性研究.pdf

1、近年來，微納尺度的硅基光子學(xué)以其低成本、小尺寸以及與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)對信息技術(shù)的發(fā)展過程起到了非常關(guān)鍵的推動(dòng)作用，因此也吸引了大批科學(xué)家的廣泛關(guān)注。硅基光子學(xué)的主要研究領(lǐng)域包括高性能的硅基光源、放大器、調(diào)制器以及探測器等基本光子器件。目前，高速的硅基光調(diào)制器和探測器已經(jīng)有許多研究報(bào)道，然而，由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率很低，因此硅基光源或放大器目前還面臨比較大的挑戰(zhàn)。研究人員主要通過量子效應(yīng)以及在硅材料中引入發(fā)光中心來提

2、高硅基材料的發(fā)光效率。由于Er3+離子近紅外發(fā)光與通信波段低損耗窗口相吻合，因此Er3+摻雜的硅基兼容材料是近年來研究的熱點(diǎn)。前期的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉺硅酸鹽化合物中的稀土離子濃度比傳統(tǒng)的鉺摻雜的硅基材料要高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且100%的鉺離子都具有光學(xué)活性，這一特性使其成為實(shí)現(xiàn)硅基可集成高增益有源器件最具潛力的材料。本文采用化學(xué)氣相沉積法制備了不同種類的鉺硅酸鹽或鉺鐿硅酸鹽單晶納米線，系統(tǒng)地研究了所制備樣品的形貌、元素組成，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及E

3、r3+濃度對納米線上轉(zhuǎn)換發(fā)光和近紅外發(fā)光特性的影響，并構(gòu)建了基于Si-(Er/Yb)2Si2O7核殼結(jié)構(gòu)單晶納米線亞微米通訊光放大器，實(shí)現(xiàn)了基于單根Er2SiO5單晶納米線的溫度傳感器等光子學(xué)器件。本文取得的幾項(xiàng)主要研究成果如下：
　　1.首次采用化學(xué)氣相沉積法成功合成了(ErxYb1-x)3Cl(SiO4)2單晶結(jié)構(gòu)納米線，并通過調(diào)控源材料中Er3+離子和Yb3+的摩爾比成功實(shí)現(xiàn)了納米線中Er3+離子濃度的可調(diào)。分別研究了不同E

4、r3+離子濃度納米線的上轉(zhuǎn)換發(fā)光和近紅外發(fā)光特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米線中Er3+離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光最強(qiáng)對應(yīng)的濃度約為1.2×1022cm-3，而對于近紅外發(fā)光，在濃度約為0.48×1022cm-3時(shí)發(fā)光最強(qiáng)，說明隨著Er3+離子濃度的變化，上轉(zhuǎn)換發(fā)光與紅外發(fā)光之間存在競爭關(guān)系。同時(shí)，通過研究不同Er3+離子濃度納米線的近紅外發(fā)光壽命，發(fā)現(xiàn)濃度為0.48×1022cm-3的樣品具有最長的近紅外發(fā)光壽命約為2.8ms。這為實(shí)現(xiàn)高增益的微納尺度光

5、放大器提供了新材料。
　　2利用化學(xué)氣相沉積法首次可控合成了核層和殼層尺寸可調(diào)的Si-(Er/Yb)2Si2O7核-殼結(jié)構(gòu)單晶納米線。通過有限元方法對納米線進(jìn)行光模式分析，結(jié)果表明對于總直徑為600nm的納米線，隨著硅核直徑尺寸的增加，對1.53μm波長的光限域因子逐漸增大。二維模式分析和三維的光傳導(dǎo)分析結(jié)果均表明對于總直徑為600nm，硅核層直徑為300nm的納米線，對1.5μm的光能量具有最佳的限域效果（>92%），非常有意義

6、的一點(diǎn)是光能量恰好局域在殼層與核層的交界處的增益介質(zhì)中，而且能沿著納米線的徑向方向有效地傳輸，這對于實(shí)現(xiàn)高的信號(hào)光增益非常有利。根據(jù)模擬結(jié)果，我們通過控制反應(yīng)條件，成功制備了具有最佳尺寸結(jié)構(gòu)的核殼納米線，并利用倏逝波耦合原理系統(tǒng)測試了Er/Yb硅酸鹽單晶核-殼結(jié)構(gòu)納米線的損耗和增益，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米線的損耗隨著硅核尺寸的增大而減少，這與理論模擬的結(jié)果基本一致。同時(shí)，我們在單根亞微米尺寸的納米線上獲得了約20dB/mm的凈增益，首次實(shí)現(xiàn)了

7、亞微米尺度高增益的通信光放大器，向芯片級(jí)集成光子學(xué)的發(fā)展邁出了重要的一步。
　　3，利用化學(xué)氣相沉積法首次合成了單晶Er2SiO5納米線，系統(tǒng)研究了納米線的發(fā)光和光波導(dǎo)性能，利用Er3+離子在980nm激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，首次在單根納米線上實(shí)現(xiàn)了光學(xué)溫度傳感器。研究表明，該單根納米線溫度計(jì)的靈敏度高達(dá)9.05×10-3 K-1，比以往鉺摻雜氧化物的靈敏度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，與鉺摻雜的氟化物基質(zhì)材料的靈敏度相當(dāng)。這一研究結(jié)果表明單晶硅

8、酸鹽納米線在硅基光電子學(xué)和光學(xué)溫度傳感領(lǐng)域有非常潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　4，論文最后一章還通過化學(xué)氣相沉積法合成了高質(zhì)量的單晶全無機(jī)鈣鈦礦CsPbBr3納米棒,并系統(tǒng)研究了全無機(jī)鈣鈦礦多光子泵浦的激射性能，研究結(jié)果表明，在800nm和1200nm的光激發(fā)下，CsPbBr3納米棒可以實(shí)現(xiàn)低閾值高品質(zhì)因數(shù)的雙光子和三光子泵浦的激射；并且通過多光子泵浦的激射模式的藍(lán)移，可以觀察到明顯的半導(dǎo)體的帶隙填充效應(yīng)；此外實(shí)驗(yàn)結(jié)果還證明CsPbBr3