层状天然范德华异质结的超快载流子动力学研究

作     者：徐子睿 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵楚军

授予年度：2023年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：范德华异质结 层状辉锑锡铅矿 非线性光学 超快载流子动力学 

摘      要：超快载流子动力学直接关系到光电器件的性能和工作效率,是高性能光电材料及器件设计和制造的关键。其中,伴随光电器件发展的需要,异质结中的超快载流子动力学受到研究人员的广泛关注。 传统半导体异质结一般通过外延生长制备,设备昂贵且要求界面晶格常数匹配,这很大程度上限制了异质结的构筑和载流子动力学的研究。近年来,二维材料领域迅速发展,其层间为弱范德瓦尔斯相互作用,可以有效解离至少层甚至单层极限。堆垛不同的二维材料在一起可以形成范德瓦尔斯异质结,其具有强量子限域效应和量子相干效应。此外,由于二维半导体的低维特性,其弛豫动力学更容易因外部条件的不同而改变,从而为实现灵活控制激发态寿命开辟了途径。但是,由机械剥离及人工堆叠方法制备的范德华异质结存在产率低、易产生杂质等弊端,而通过化学气相沉积方法等方法合成范德华异质结需要对制备过程精细控制。近几年,研究人员发现硫盐矿物辉锑锡铅矿(franckeite)是一种天然范德华异质材料,其具有优良的物理化学特性。但是,franckeite的超快载流子动力学研究较少,值得进一步探究。 本论文围绕超快非线性光电器件的应用需求,设计并搭建了具有时间分辨功能、波长可调的泵浦探测瞬态吸收系统。采用液相剥离法成功制备了层状franckeite纳米片,并对其非线性光学吸收和载流子动力学行为进行了实验研究。层状franckeite纳米片具有波长和强度相关的非线性吸收特性和超快的载流子弛豫寿命,实验结果表明franckeite纳米片在微纳光子学器件等应用中是一种理想的候选材料。主要工作包括: (1)设计并搭建了一套超快泵浦探测瞬态吸收系统,探究了激发不同非线性介质产生超连续白光的光谱范围、光谱质量和稳定性等情况,并优化选择合适的介质激发产生了稳定超连续白光。同时,从激光抖动、光斑不均匀、白光啁啾等方面考量,提出了实验系统降噪方案,为研究层状franckeite载流子动力学特性奠定了平台基础。 (2)设计并开发了一套基于Qt框架与Visual C++的瞬态吸收光谱测试软件。相比传统光学系统选用的Lab VIEW、VB等程序开发环境,Qt框架运行效率高、CPU占用率低、系统响应时间快,有效提高了实验测量的精确性。Qt良好的跨平台优势及扩展性便于开发实现光物理模型拟合与各类光学分析。 (3)基于时间分辨瞬态吸收光谱和Z-扫描技术实验研究了层状franckeite的非线性光学吸收和载流子动力学,发现层状franckeite表现出波长和强度依赖的非线性吸收特性和超快载流子动力学行为。研究结果表明层状franckeite可以作为超快非线性光学应用的候选材料。