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随着半导体电子器件集成程度逼近量子隧穿的尺寸极限,维持摩尔定律已面临严重挑战。硅基光子学器件由于其更快速,更稳定,更低能耗等优点而得到了广泛的关注。由于体硅材料本身间接带隙的限制,如何设计硅或与硅基集成的其他材料的微纳结构,甚至直接利用硅材料的非线性光学性质进行应用是研究的主要关注点。本论文主要集中在: (1).用开孔Z扫描(OA Z-scan)方法探测了氢化纳米硅(nc-Si:H)薄膜的非线性吸收(nonlinear absorption, NLA)性质; (2).研究了nc-Si:H薄膜微米尺度飞秒激光晶化效应及其引起的新型光学吸收机制;(3)通过实验和理论计算研究了硅基上生长的氧化锌(Zinc Oxide, ZnO)微米塔中回音廊效应(whispering gallery mode, WGM)和准回音廊效应(quasi-WGM)引起的固定模式的光发射。nc-Si:H的硅纳米晶(Si-nc)镶嵌于无序的氢化非晶硅网络中(a-Si:H)。由于可用化学气象沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)的方法生长,nc-Si:H可以被集成到多数的硅基光电子器件中。以前对nc-Si:H的研究多侧重于线性光学和电学性能,本论文对nc-Si:H的非线性光学性质进行了详细研究。我们观察到,如果飞秒激光入射光子能量略低于能带时,nc-Si:H会呈现出从饱和吸收(saturable absorption, SA)到反饱和吸收(reverse saturable absorption, RSA)的转变。我们认为这种NLA的机制与nc-Si:H的带尾态密切相关。这种SA到RSA转变非常灵敏并且具有很强的可调控性,可通过调节入射光波长,光强与nc-Si:H的能带来实现,将有希望用于高灵敏的非线性光学器件中。同时在Z-scan实验过程中,我们发现当入射激光光强超过一定阈值时,样品将会发生突变,但突变点具有非常好的RSA信号,且此信号与入射光的波长和光强都无关。我们在极小入射光强下测得了非常强的Z-Scan RSA信号。我们提出了微米尺度的激光晶化模型,并依此建立了空间非均匀线性吸收(linear absorption, LA)理论来成功解释了观察的实验现象。据我们目前所知,这是一种全新的解释Z-scan结果的理论。此模型已被显微拉曼面扫描(micro-Raman mapping)实验进一步地证实。此项工作的实验与理论部分都将对设计新型的弱光非线性光学器件有所裨益。最后,本文还研究了用化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)方法在硅基上生长的ZnO微米塔的激光模式。在355nm纳秒激光激发下,我们在ZnO微米塔阵列的光致发光(photoluminescence, PL)谱中观察到了两个固定模式的发射。通过全反射理论计算,我们认为光应该出射于微米塔中部平台,两个模式分别为WGM的横磁波TM8和quasi-WGM的横磁波QTM8模式。阴极发光(Cathodoluminescence, CL)实验很好地证实了理论计算。我们正在建立模型用FDTD法进行进一步的仿真模拟。以上研究得到了科技部重大研究计划课题(2010CB933702)和国家自然科学基金重点项目(10734020)和(11074169)的资助。特此感谢!