基于超快能量转移机制的半导体纳米棒量子点复合白光转换方案

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以白光发光二极管为代表的新型半导体光电器件正成为固态照明技术更新换代的重要候选。相比较于传统照明方式,发光二极管具有能效高,颜色质量好,以及工作寿命长等优点,因而受到巨大关注。目前的白光转换大多采用荧光粉再吸收发光方法,通过荧光粉的吸收与再发射过程将高效的InGaN二极管蓝光转换成多种波长的颜色。限制于荧光粉固定的发光波长以及较低的蓝光提取效率,再吸收发光方法还存在颜色转换效率低、颜色质量不高等问题。为解决这些问题,本论文探讨了利用超快能量转移机制实现高效白光转换的新方法,这种方法可避开再吸收白光转换中间过程(蓝光发光,光提取,及光吸收)中的能量损失,极大提高能量利用效率。能量转移源于库仑相互作用,为缩短给受体之间的距离,提高能量转移效率,本论文着重研究了利用InGaN/GaN量子阱纳米棒和CdSe量子点复合器件结构通过借助界面能量转移实现高效白光转换的方法。具体来讲,本论文结合了稳态荧光和瞬态荧光等光谱学方法,在不同激发强度和温度下,研究了InGaN/GaN量子阱在加工为纳米棒后载流子的动力学行为,并在此基础上,分析了纳米棒和量子点间能量转移机制。主要的研究结论包括:(1)量子阱在纳米棒进行微加工后,载流子弛豫速率变快,引起的原因包括表面态增多,应力弛豫,以及带填充等效应;低功率下,在平面量子阱中观测到动力学曲线中的延迟上升过程,在纳米棒发光的动力学曲线中不再存在,它的起因可能是纳米棒对载流子扩散的限制;上述的物理机制也体现在稳态荧光光谱上。(2)对纳米棒与量子点的复合结构中的研究发现,在不同激发功率密度条件下,能量转移速率呈现出不同的功率依赖关系。这种差别可能是由电子空穴存在的不同结构形式所决定的。在强激发下,自由载流子占据主导地位,而弱激发下束缚激子起到了很重要的作用。能量转移速率的温度依赖关系也跟载流子浓度相关,当束缚激子占据主导地位时,能量转移速率在温度(5K-200K)升高的过程中出现下降的现象。但是当激发功率增加后,随着温度的升高,能量转移却没有任何变化。量子点与量子阱纳米棒耦合体系中的能量转移对温度的依赖关系与前人研究的平面量子阱与量子点耦合体系有所差异,这种差异可能源于纳米棒结构对激子扩散的限制作用。从测试结果中可发现,在纳米棒和量子点的复合结构中,合适的载流子浓度下,室温下的能量转移效率可以达到80%以上,这样的效率将极有助于实现高效的白光转换,与传统的再吸收方法相比,颜色转换效率至少可提高3-5倍,从而能效可得到根本优化,如能解决器件设计中的其它细节问题,将有望实现新一代的照明器件。本论文正文分为五个章节,第一部分为研究背景,简单回顾白光发光二极管发展状况和面临的挑战;第二部分介绍本论文研究的材料体系、器件结构、微加工技术、以及稳态瞬态光谱表征等实验细节;第三部分介绍了InGaN/GaN量子阱纳米棒的载流子动力学行为的光谱学研究结果和主要结论,重点分析了纳米棒不同于平面量子阱的动力学及起因特征;第四部分重点研究纳米棒和量子点复合结构中的能量转移机制;第五部分对论文总结和展望。
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