三角形硅二聚体纳米天线及其荧光增强效应研究

提出了一种三角形硅二聚体纳米天线结构,该结构可以从激发和发射过程同时提高荧光物质的荧光发光效率,并且实现荧光的远场定向发射增强。利用时域有限差分法详细研究了不同组合方式的三角形二聚体、不同三角形直角边长以及不同二聚体底角间距对荧光发射增强效果的影响,并进行了结构参数的优化,研究了该结构对荧光激发过程的影响。结果表明,三角形硅二聚体纳米天线结构的直角边长为300nm,二聚体底角间距为0nm是纳米天线的最优参数。相对于裸光源,硅二聚体纳米天线使点光源的荧光发射增强了7倍,实现了远场定向发射。而且,在405nm波长光的激发下,荧光激发过程也得到了增强。     

用纳米晶材料制作光电子器件的研究

硅纳米晶材料最有希望用于制作有源器件,如调制器、光放大器和发光二极管等.人们观测到纳米晶中发光的蓝移与晶体尺寸成正比,其发光效率通常比体材料的发光效率要高.但是,硅的间接带隙所产生的难以克服的余辉将导致相当长的辐射复合寿命(μs数量级),这将限制硅纳米晶光电子器件的发光亮度和发光效率.如果采用等离子激元增强光发射机理提高硅纳米晶的辐射发射速率,则可将硅量子点材料视为能取代直接带隙化合物半导体材料的光学材料.     

纳米硅上等离子体激元与光子相互作用对电子局域态及发光的调控

用脉冲激光制备纳米硅的过程中,在Purcell腔中会形成等离子体晶格结构,这是等离子体激元与光子相互作用的结果,其形成的等离子体晶格与Wigner晶体结构很相似。利用光致发光光谱研究局域态发光特征从而去控制纳米硅结构的发光,在氧气或氮气环境下制备纳米硅样品,由于表面键合作用形成电子局域态会产生几个特征发光峰,分别位于560、600和700 nm附近。在氧气环境下用激光照射硅晶片形成硅量子点,可以观察到样品的拉曼光谱随着测量温度的增加而产生频谱移动,这个过程伴随着声子能量的变化。温度较高时,光致发光峰强度下降,同时发射频谱变宽。在77 K时,可以观察到光致发光峰的红移,这表明局域态发光在纳米硅发光的激活起着重要作用。在带隙中产生的局域态取决于表面键合的情况,表面键合可以激活硅量子点而增强发光。在硅薄膜上掺入稀土金属镱会形成电子局域态发光,可将电致发光的波长调控进入光通讯窗口。     

SiO2膜的薄层化对自组织生长Si纳米量子点发光特性的影响

采用低压化学气相沉积方法,依靠纯SiH4气体的热分解反应,在SiO2表面上自组织生长了Si纳米量子点.实验研究了SiO2膜的薄层化对Si纳米量子点光致发光特性的影响.结果表明,当SiO2膜厚度减薄至6nm以下时,Si纳米量子点中的光生载流子会量子隧穿超薄SiO2层,并逃逸到单晶Si衬底中去,从而减少了光生载流子通过SiO2/Si纳米量子点界面区域内发光中心的辐射复合效率,致使光致发光强度明显减弱.测试温度的变化对Si纳米量子点光致发光特性的影响,则源自于光生载流子通过SiO2/Si纳米量子点界面区域附近非发光中心的非辐射复合所产生的贡献.     

SiO2膜的薄层化对自组织生长Si纳米量子点发光特性的影响

采用低压化学气相沉积方法,依靠纯SiH4气体的热分解反应,在SiO2表面上自组织生长了Si纳米量子点.实验研究了SiO2膜的薄层化对Si纳米量子点光致发光特性的影响.结果表明,当SiO2膜厚度减薄至6nm以下时,Si纳米量子点中的光生载流子会量子隧穿超薄SiO2层,并逃逸到单晶Si衬底中去,从而减少了光生载流子通过SiO2/Si纳米量子点界面区域内发光中心的辐射复合效率,致使光致发光强度明显减弱.测试温度的变化对Si纳米量子点光致发光特性的影响,则源自于光生载流子通过SiO2/Si纳米量子点界面区域附近非发光中心的非辐射复合所产生的贡献.     

硅基量子点的制备及其发光特性

硅基光电子学无疑是今后光电子学发展的方向，这就要求硅基材料能够满足发光器件的要求，从而达到光电集成的目的。因为硅体具有非直接带隙的特点，共发光效率低，所以利用硅基低维量子结构，尤其是量子点结构提高硅基材料的发光性能一直是国内外本领域的一个研究特点。本文对近年来硅基量子点的制备及发光特性研究所取得的进展和结果进行了总结和评述，并对今后的发展提出了看法。     

微腔中nc-Si/SiN超晶格的光致发光

研究了一维光子晶体微腔结构对nc-Si/a-SiNz超晶格发射的调制.一维光子晶体微腔采用两种具有不同折射率的非化学组分非晶氮化硅的周期调制结构,腔中嵌入采用激光晶化方法制备的硅量子点阵列,从Raman谱和透射电子显微镜分析得到其尺寸约为3～4 nm.从光致发光谱上观察到明显的选模作用、明显变窄的发光峰以及约两个量级的发光强度的增强.微腔对硅量子点阵列发光的调制主要表现在两个方面:共振模式的增强和非共振模式的抑制.硅量子点中位于腔共振模式的辐射跃迁被增强,非共振模式的辐射跃迁被抑制,因此位于腔共振频率处的跃迁通道成为硅量子点中唯一的辐射跃迁通道,导致光致发光谱的窄化和强度的增强.因此,在提高硅材料发光效率方面,光子晶体微腔具有非常大的应用前景.     

微腔中nc-Si/SiN超晶格的光致发光

研究了一维光子晶体微腔结构对nc-Si/a-SiNz超晶格发射的调制.一维光子晶体微腔采用两种具有不同折射率的非化学组分非晶氮化硅的周期调制结构,腔中嵌入采用激光晶化方法制备的硅量子点阵列,从Raman谱和透射电子显微镜分析得到其尺寸约为3～4 nm.从光致发光谱上观察到明显的选模作用、明显变窄的发光峰以及约两个量级的发光强度的增强.微腔对硅量子点阵列发光的调制主要表现在两个方面:共振模式的增强和非共振模式的抑制.硅量子点中位于腔共振模式的辐射跃迁被增强,非共振模式的辐射跃迁被抑制,因此位于腔共振频率处的跃迁通道成为硅量子点中唯一的辐射跃迁通道,导致光致发光谱的窄化和强度的增强.因此,在提高硅材料发光效率方面,光子晶体微腔具有非常大的应用前景.     

硅发光研究

硅发光对于在单一硅片上实现光电集成是至关重要的．本文介绍了目前已有的使硅发光的方法：掺深能级杂质，掺稀土离子，多孔硅，纳米硅以及Ｓｉ／ＳｉＯ２超晶格，讨论了两种可能的发光机制：量子限制效应和表面复合效应．最后介绍了两个硅发光器件，表明硅发光器件的前景是光明的     

纳米硅量子点的自然形成及其发光特性

用 Si H4 气体的减压 CVD法 ,在氧化硅以及石英基板上自然形成了高密度的 (～ 10 11cm-2 )纳米尺寸的半球状硅晶粒 (硅量子点 ) ,并且对其光学吸收和发光 (Photo- luminescence,PL)特性进行了评价。用表面热氧化了的硅量子点样品 ,在室温条件且在高于 1.2 e V以上的能量范围内观察到了 PL谱。随着量子点尺寸的减少 ,PL谱的光学吸收限移向高能方向。 PL谱的峰值能呈现大幅度的 (约 0 .9e V)斯塔克移动 ,并且 PL谱的强度几乎与温度无关 ,说明发光来自与局域能级相关联的发光和复合过程。     

Subminiature emitters based on a single (111) In(Ga)As quantum dot and hybrid microcavity

The results of numerical modeling and investigation of a hybrid microcavity based on a semiconductor Bragg reflector and a microlens selectively positioned above a single (111) In(Ga)As quantum dot are presented. Emitters based on the hybrid microcavity demonstrate the effective pumping of a single quantum dot and high emission output efficiency. The microcavity design can be used to implement emitters of polarization- entangled photon pairs based on single semiconductor quantum dots.     

硅基发光材料研究进展

阐述了等电子杂质、掺Er硅、硅基量子结构(包括量子阱、量子线和量子点)及多孔硅的发光机理,综述了90年代以来a-Si/SiO2、SiGe/Si等Si基异质结构材料的优异特性和诱人的应用前景,着重介绍了能带工程为Si基异质结构带来的新特性、新功能,重点介绍了硅基量子点的制备和发光机理,综述了半导体量子点材料的最新发展动态和发展趋势。     

Spatially resolved spectroscopy on single self-assembled quantum dots

We report about spatially resolved experiments on self-assembled InGaAs quantum dots. Single quantum dots can be investigated by using STM-induced luminescence spectroscopy. The quantum dot occupancy can be increased via the STM tip current, which results in state filling and therefore in the onset of discrete excited state luminescence. In the limit of low injection currents, a single emission line from the ground state of the dot is observed. Using near-field spectroscopy through shadow masks, we have investigated the optical properties of single self-assembled InGaAs quantum dots as a function of occupancy and magnetic field. This allows us to fully resolve diamagnetic/orbital effects, Zeeman splitting, and to determine manybody-corrections. Photoluminescence excitation spectra further reveal a strong contribution of phonon assisted processes in quantum dot absorption.     

Si基发光的研究进展

回顾了Si基发光的研究历程,归纳分析了新近几种实现Si发光的方法和其优缺点,其中包括多孔Si发光、GeSi/Si量子阱发光、Sip-n结位错发光、CMOSSi基发光、PERL结构Si基发光等方法。重点介绍了PERL结构Si基发光,分析了结构设计中的几个关键性因素。该结构利用了光电转换可逆性原理,基于普通的单光子和双光子辅助次禁带弱光发射过程,通过把位于有关的次禁带波长的吸收最小化,同时减少二极管内寄生无辐射复合的作用范围。期望通过该综述提高国内研究者对PERLSi基发光的重视,开拓以PERL为新思路、新方法的Si基光互连方向研究的新进展。     

Si基异质结构发光的研究现状

综述了Ｓｉ 基异质结构发光研究的现状。介绍了Ｓｉ 材料本身的本征发光、激子发光、杂质发光等特性,描述了掺Ｅｒ－ Ｓｉ 的发光、Ｓｉ 基量子结构（ 量子阱、量子点） 的光发射,重点研究ＳｉＧｅ／Ｓｉ 异质结构的发光性质。同时还对多孔Ｓｉ 发光、Ｓｉ 基发光二极管（ＬＥＤ） 与Ｓｉ 双极晶体管（ＢＪＴ） 集成、Ｓｉ 基上垂直腔面发射激光器（ＶＣＳＥＬ） 与微透镜的混合集成作了简要的介绍。     

硅发光研究新进展

回顾了硅发光的研究历程,归纳了新近各种实现硅发光的方法及其优缺点,其中包括单晶硅、纳米晶硅、掺Er硅纳米簇、Si/Ge量子级联结构、THz发射以及硅的受激拉曼散射等方法,并详细介绍了最近在硅拉曼激光器的结构设计、实验装置及其光谱图等方面的新突破.     

Perspective:optically-pumped Ⅲ–Ⅴ quantum dot microcavity lasers via CMOS compatible patterned Si (001) substrates

Direct epitaxial growthⅢ–Ⅴquantum dot(QD)structures on CMOS-compatible silicon substrates is considered as one of the most promising approaches to achieve low-cost and high-yield Si-based lasers for silicon photonic integration.However,epitaxial growth ofⅢ–Ⅴmaterials on Si encounters the following three major challenges:high density of threading dislocations,antiphase boundaries and thermal cracks,which significantly degrade the crystal quality and potential device performance.In this review,we will focus on some recent results related to InAs/GaAs quantum dot lasers on Si(001)substrates byⅢ–Ⅴ/Ⅳhybrid epitaxial growth via(111)-faceted Si hollow structures.Moreover,by using the step-graded epitaxial growth process the emission wavelength of InAs QDs can be extended from O-band to C/L-band.High-performance InAs/GaAs QD microdisk lasers with sub-milliwatts threshold on Si(001)substrates are fabricated and characterized.The above results pave a promising path towards the on-chip lasers for optical interconnect applications.     

Quantum Dot–Carbon Nanotube Hybrid Phototransistor with an Enhanced Optical Stark Effect

Enhanced carrier–carrier interactions in hybrid nanostructures exhibit exceptional electronic and optoelectronic properties. Carbon nanotubes demonstrate excellent switching behavior with high on/off ratio and high mobility but do not show photoresponse in the visible range, whereas quantum dots (QDs) shows excellent optical response in various optical ranges which can be tuned with diameter. Here, a simple and effective way to develop hybrid phototransistors with extraordinary optoelectronic properties is presented by decorating semiconducting QDs on the surface of a single‐walled carbon nanotube (SWCNT). This hybrid structure demonstrates clear negative photoresponse and optical switching behavior, which could be further tuned by applying external gate bias in the future. A clear type conversion of SWCNT transistor from p‐type to n‐type caused by a charge transfer from attached QDs to CNT is demonstrated. Moreover, this hybrid structure also demonstrates an enhancement in ‘optical Stark effect’ without applying any external electric field. Charged SWCNT surface plays a key role behind the enhancement of optical Stark effect in QDs. The carrier dynamics of the QD and CNT heterostructures system highlights the potential application opportunity of the quantum dot systems, which can be adaptable to the current technologies.