基于Ⅲ族氮化物半导体复合结构的能量转移机制研究

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非辐射共振能量转移(Non-Radiative Resonance Energy Transfer,NRET)是通过非辐射过程而发生的激子间的能量转移,在高效率的白光器件制造和全彩色微型LED(micro Light Emitting Diode,micro-LED)显示器等领域有着广泛应用。局域表面等离激元(LSP)具有与发光体中激子和自由空间中的光子的耦合性质,可以用来克服非辐射共振能量转移中供体和受体之间的距离限制。因此,等离激元增强III族氮化物半导体的非辐射共振能量转移机制具有重要的科学意义和研究价值。本论文采用金属有机物化学气相沉积和高温快速退火技术,制备了具有不同LSP共振波长的量子阱-金属-量子点混合结构,并利用时间分辨光谱技术对该结构进行表征。最终证明了局域表面等离激元对非辐射共振能量转移的增强作用,并揭示了该结构内部复杂的复合过程机理。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)通过时域有限元方法对不同金属的光学特性进行了仿真,通过比较不同金属纳米颗粒的LSP共振峰范围,确定了利用金属Ag纳米颗粒能够与In Ga N量子阱产生最好的LSP共振效应。接着对不同直径的Ag纳米颗粒进行了光学仿真,从理论上揭示了LSP共振波长与Ag纳米颗粒大小之间的依赖关系,并证明了LSP共振波长可以通过Ag纳米颗粒的大小进行调控。(2)实验上设计并制备出了不同共振波长的In Ga N量子阱-金属-量子点混合结构。首先探索了Ag纳米颗粒的自组装热处理技术,通过改变Ag薄膜的蒸镀厚度,实现了Ag纳米颗粒从15nm到106nm的不同直径,其共振波长随颗粒大小增大而红移,覆盖465nm到600nm,与理论仿真结果一致。并在此基础上旋涂Cd Se/Zn S量子点,制备出量子阱-金属-量子点混合结构。(3)利用时间分辨光致发光谱技术证明了具有不同共振波长的金属纳米颗粒均可以增强量子点和量子阱之间的非辐射共振能量转移。与不存在Ag纳米颗粒的原始NRET相比,在600 nm的共振波长处,其非辐射能量转移速率提高了6.9倍,且能量转移效率高达73.1%,几乎是原始NRET效率的两倍。光致发光(PL)测试表明,量子点发光强度由Ag纳米颗粒的淬灭作用和LSP增强的NRET共同决定。并当LSP共振波长在465nm处时,我们论证了LSP增强的NRET机制能够有效增强量子点的发光强度。
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