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纤锌矿ZnSnN_(2)/In_(x)Ga_(1-x)N柱形量子点中的激子态和带间光跃迁

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量子光学学报 2021年第4期27卷 342-351页

作者：郑冬梅黄思俞许晓赋三明学院机电工程学院福建三明365004 三明学院装备智能控制福建省高校重点实验室福建三明365004

基于有效质量近似和变分原理,考虑内建电场效应和量子点的三维约束效应,理论研究了纤锌矿ZnSnN_(2)/In_(x)Ga_(1-x)N柱形量子点中基态激子结合能、带间发光波长、激子辐射寿命随量子点尺寸(高度L和半径R)及In_(x)Ga_(1-x)N中In含量x的... 详细信息

基于有效质量近似和变分原理,考虑内建电场效应和量子点的三维约束效应,理论研究了纤锌矿ZnSnN_(2)/In_(x)Ga_(1-x)N柱形量子点中基态激子结合能、带间发光波长、激子辐射寿命随量子点尺寸(高度L和半径R)及In_(x)Ga_(1-x)N中In含量x的变化关系,并与In_(x)Ga_(1-x)N量子点的激子态和带间光跃迁作比较。结果表明:当x激子结合能随着量子点尺寸及In含量的增加而减小。激子带间发光波长随量子点尺寸的增大而红移;随着In含量的增加,当量子点高度L2.2 nm)时,发光波长红移(蓝移)。激子辐射寿命随着量子点尺寸的增加而增加,随着In含量的增加而减小。此外,随In含量增加而线性减小的内建电场使基态激子结合能减小,带间发光波长红移,激子辐射寿命增大。受沿着异质结生长方向的内建电场的影响,量子点高度L的变化对激子光学性质的影响要比量子点半径R的变化对激子光学性质的影响更显著。而与In_(x)Ga_(1-x)N量子点相比,ZnSnN_(2)/In_(x)Ga_(1-x)N量子点中激子的结合能、带间发光波长及激子辐射寿命都较大,尤其对于In含量小的量子点。

关键词： ZnSnN_(2)量子点激子内建电场发光波长激子寿命

表面等离子增强效应在有机发光二极管（OLED）中的应用

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表面等离子增强效应在有机发光二极管（OLED）中的应用

作者：肖艳苏州大学

学位级别：硕士

有机发光二极管(OLED)因具有制作工艺简单、可做成柔性衬底、轻薄、可视角度大、节省电能等优势，在照明和平板显示方面具有很大的应用前景。目前，对于有机电致发光器件来说，通过采用磷光材料已经可以达到100%的内量子效率。然而，由... 详细信息

有机发光二极管(OLED)因具有制作工艺简单、可做成柔性衬底、轻薄、可视角度大、节省电能等优势，在照明和平板显示方面具有很大的应用前景。目前，对于有机电致发光器件来说，通过采用磷光材料已经可以达到100%的内量子效率。然而，由器件各层有机材料的折射率不同所导致的波导损失、表面等离子损失以及表面全反射损失等使得有机发光二极管具有较低的外量子效率。目前来说，提高外量子效率的方法主要有光子晶体、表面等离子激发、微腔结构、微透镜阵列等。其中,利用表面等离子增强效应提高器件外量子效率的方法已经得到了广泛的关注。首先，本文通过对比荧光衰减曲线，从激子寿命的角度系统地研究了金属纳米颗粒与激子间距离对激子寿命的影响。并且形象地描绘激子的辐射过程，结合激子寿命与金属-有机界面距离成指数反比的关系，对金属表面等离子的影响进行了理论上的分析。另外，本论文以绿光OLED器件作为研究对象，采用化学合成法引入Au纳米颗粒以及利用等离子溅射的方法改变PEDOT层的粗糙度来实现表面等离子的激发，进而有效的提高了器件的发光效率。同时通过研究空穴传输性能的改变、金属纳米颗粒的等离子共振峰、激子的寿命、以及电磁场模拟等一系列表征手段来更深入地了解表面等离子增强效应在提高器件发光效率中的作用。

关键词：有机发光二极管表面等离子激子寿命流明效率

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基于CBP的有机电致磷光器件发光机理研究

基于CBP的有机电致磷光器件发光机理研究

作者：居秀琴河北大学

学位级别：硕士

白色有机电致发光器件(WOLED)不但可以应用于平板显示器领域中,实现低功耗和全彩显示,而且还可以应用于其他固态照明领域,广泛的应用前景引起了人们极大的兴趣。本论文回顾了OLED器件的发展史、相关的理论基础和器件物理,之后主要研究... 详细信息

白色有机电致发光器件(WOLED)不但可以应用于平板显示器领域中,实现低功耗和全彩显示,而且还可以应用于其他固态照明领域,广泛的应用前景引起了人们极大的兴趣。本论文回顾了OLED器件的发展史、相关的理论基础和器件物理,之后主要研究了发光材料的激子寿命:通过一维激子扩散模型模拟了不同厚度的四种有机薄膜时间分辨发光衰减曲线,有机物薄膜结构分别为: CBP/LiF/Al;CBP:FirPic(5%/8%的掺杂质量比)/LiF/Al;CBP:Ir(piq)2(acac) (5%/8%的掺杂质量比) /LiF/Al;CBP:Ir(ppy)3(5%/8%的掺杂质量比) / LiF/Al。通过时间分辨发光衰减曲线,得到各结构的激子寿命τ,再由MATLAB程序模拟得出D、x0、LD,以上各结构的淬灭区域宽度为:8.3nm,41.6nm,41.9nm,42.4nm。制备上述CBP掺杂体系器件时,发光层的厚度应大约在100nm左右。同时还得到不同掺杂比时参数D、x0不变,τ、LD及淬灭区域宽度均不同,其中LD变化不超过5nm。用磷光材料Ir(piq)2(acac)、Ir(ppy)3、Firpic和小分子主体材料CBP做发光层,制成了三种不同结构的白光器件: a,ITO/CBP:Firpic:Ir(piq)2(acac) /BCP /Alq3 /LiF / Al;b,ITO/CBP:Ir(piq)2(acac)(掺杂质量比8%)/BCP(Xnm)/ CBP:Firpic (掺杂质量比8%)/BCP/ Alq3 /LiF / Al;c , ITO/CBP : Ir(ppy)3 : Ir(piq)2(acac) /BCP(6埃)/ CBP:Firpic (掺杂质量比8%)/PBD/LiF/Al。通过研究器件的电致发光光谱、色坐标、显色指数,得到a结构中CBP:Firpic:Ir(piq)2(acac掺杂比为200:200:10时器件效果最好;b结构中BCP隔层厚度为29埃时,器件效果最好;c结构中CBP:Ir(ppy)3 :Ir(piq)2(acac)的掺杂比为100:8:2时器件效果最好,而且实现了结构较简单的近标准白光发射。

关键词：白色有机电致发光器件(WOLED) 激子寿命非辐射能量转移距离色坐标

二维GaS/HfS2和SnSe2/MoTe2异质结中激子光性质的理论研究

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二维GaS/HfS2和SnSe2/MoTe2异质结中激子光性质的理论研究

作者：杜丽国内蒙古大学

学位级别：硕士

低维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)是一种新型低维半导体材料。本文利用密度泛函理论的第一性原理方法,考虑了具有屏蔽库仑相互作用的多体格林函数以及Bethe-Salpeter方程,研究了Ga S/Hf S和MoTe/SnSe异... 详细信息

低维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)是一种新型低维半导体材料。本文利用密度泛函理论的第一性原理方法,考虑了具有屏蔽库仑相互作用的多体格林函数以及Bethe-Salpeter方程,研究了Ga S/Hf S和MoTe/SnSe异质结的激子光性质。具体内容分为如下两个部分:(1)通过优化得到最稳定堆叠方式的异质结构,在此基础上研究压力依赖下的激子效应。Ga S/Hf S异质结是一种具有II型能带排列的间接带隙半导体,这种结构有利于层间激子的形成。通过计算发现间接带隙的GW校正比直接带隙更加敏感,能带的CBM电荷分布比VBM电荷分布随压力增加变化更加明显。结果还发现直接激子的亮暗性质依赖于激子自旋构型,并随压力增加激子寿命发生变化,在室温下最低能量的亮激子在8 GPa下寿命长达0.021 s。间接激子比直接激子随压力的变化更加敏感,在动量空间中光吸收性质也有显著的变化。(2)不同堆叠模式的MoTe和SnSe单层材料会表现出不同的性质,而将2H相的MoTe和SnSe堆叠成的异质结构在光学领域中具有很大的发展前景。本文通过GW计算发现,从直接跃迁位置到间接跃迁位置的动量空间中,间隙先增大后减小,第一个吸收峰先发生蓝移后发生红移。本文还计算了自旋轨道成分进而探究了直接激子的亮暗性质。

关键词：密度泛函理论异质结层间激子激子寿命光学性质

关于单层过渡金属硫化物激子极化激元的理论研究

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关于单层过渡金属硫化物激子极化激元的理论研究

作者：辛铭吉林大学

学位级别：硕士

单层过渡金属硫化物是继石墨烯之后发现的又一类二维原子晶体,典型代表为二硫化钼(MoS),凭借其优异的光电性质迅速成为研究热门。MoS属六方晶系,单层MoS由两个硫原子层夹着一个钼原子层构成,原子间依靠共价键相结合。单层MoS是直接带隙... 详细信息

单层过渡金属硫化物是继石墨烯之后发现的又一类二维原子晶体,典型代表为二硫化钼(MoS),凭借其优异的光电性质迅速成为研究热门。MoS属六方晶系,单层MoS由两个硫原子层夹着一个钼原子层构成,原子间依靠共价键相结合。单层MoS是直接带隙半导体,第一布里渊区有两个不等价顶点:K点和-K点,分别对应两个谷:K谷和-K谷。自旋-电子轨道耦合使价带发生劈裂,反对称性的破缺又导致电子自旋方向相同的价带反向移动,且具有光学选择定则,即左旋圆偏振光激发K谷,右旋圆偏振光激发-K谷,这种电子自旋和谷的相互锁定被称为谷极化。单层MoS谷极化的性质为自旋开关、逻辑门器件的研发提供了新的机会,因此也有人将单层MoS看作可以取代硅的新兴半导体材料。光激发单层MoS价带电子至导带,在价带留有带正电的空穴,导带电子与价带空穴依靠库仑相互作用束缚在一起,形成紧束缚激子,激子束缚能为0.5eV,比传统半导体量子阱中激子束缚能高两个数量级,可在室温下存在。大的激子束缚能为室温下发现和应用谷极化提供了可能,但由于谷间电子-空穴交换相互作用的存在,使激子很容易进行谷间散射,极大程度上制约了谷极化。将单层过渡金属硫化物放入微腔中,腔内束缚的光子会与激子耦合形成激子极化激元,激子极化激元中的光子成分对谷间散射不敏感,从而大大提高了谷极化,使室温下的谷极化得以实现,为实现手性光-物质相互作用的谷极化电子器件开辟了新的机会。本文的主要研究工作包括:(一)我们利用简易微腔模型,借助麦克斯韦方程组推导激子极化率α的表达式。采用带边有效k p哈密顿量,构建导带和价带多电子体系的二次量子化哈密顿量,计入所有电子之间的库仑作用和电子系统与光子的相互作用,利用海森堡方程构建微观极化量的运动方程,再次得到激子极化率α的表达式,将两个激子极化率表达式相结合,得到激子极化激元色散关系,并利用色散关系计算出拉比劈裂线宽,证明强耦合的存在。在推导过程中,我们发现因为二维材料具有各向异性,导致在计算激子与光子耦合时不可以忽略非共振项,这与三维体材料相去甚远。(二)鉴于传统耦合振子模型法所计算的耦合模中光子成分和激子成分与真实值有偏差,我们探究偏差存在的原因,发现这是忽略激子成分在电矢量下的极化所导致的。为得到更加准确的耦合模成分,我们构建激子极化激元的宏观极化运动方程,证明激子的极化过程可以看作线性谐振子的极化,与离子晶体中长波光学支类似,可利用能量密度表达式去计算耦合模成分。利用宏观极化运动方程我们不仅精确地计算出耦合模中光子成分和激子成分,表明选择合适的入射波矢对室温下的谷极化至关重要,也成功地解释出色散关系中各参数的物理意义。(三)我们利用费米黄金定则这种半经典的方法,巧妙地推导出激子寿命的表达式,这个表达式适用于绝大部分二维过渡金属硫化物和具有类似能带结构的半导体。我们将激子寿命所引起的激子能量的展宽考虑在内,重新计算了激子极化激元的色散关系和劈裂宽度,并推导出激子极化激元的寿命。结果表明激子寿命的存在使劈裂宽度变小,耦合减弱。也证明激子极化激元的寿命与长寿命光子的含量有直接关系,表明操控和利用中间极化激元MP是实现谷极化的重要途径。

关键词：单层过渡金属硫化物激子极化激元谷极化色散关系 Hopfield系数激子寿命

基于扭转双层二硫化钼晶体结构的可调激子动力学研究

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基于扭转双层二硫化钼晶体结构的可调激子动力学研究

作者：高志达青岛理工大学

学位级别：硕士

基于带隙工程的可调激子动力学在光伏以及信息存储等领域收到了广泛关注与研究。以二硫化钼为代表的二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)带隙覆盖1.5～2.4e V,具有丰富的激子物理特性,因此广泛应用于各类光电子器件中。通过化学掺杂,施加预... 详细信息

基于带隙工程的可调激子动力学在光伏以及信息存储等领域收到了广泛关注与研究。以二硫化钼为代表的二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)带隙覆盖1.5～2.4e V,具有丰富的激子物理特性,因此广泛应用于各类光电子器件中。通过化学掺杂,施加预应力等方式可以对材料的带隙进行一定程度的调控,从而优化其激子器件性能,但是这些方法普遍操作复杂、难以定量操控,导致材料中激子的动力学过程波动较大,器件性能难以稳定,限制了这些方法在工程中的应用。本研究旨在探索一种稳定的激子动力学调控方法,进一步拓展TMDCs的应用,为高性能TMDCs光电子器件奠定基础。主要研究内容如下:1,使用时间分辨荧光光谱分析了具有不同层间转角的双层MoS的间接激子动力学变化。主要分析了间接激子的寿命及其在所有激子中的占比。实验结果表明,间接激子的寿命可以通过层间扭转角来调控,在0°和60°时,间接激子寿命最短,分别为5.2ns和8.3ns,且间接激子含量比例高;当层间转角接近30°时,双层MoS的间接激子寿命可以长达27ns,但由于间接带隙的增大,导致间接复合困难,间接激子含量降低。2,从半经典物理和量子力学两个角度对激子寿命变化趋势进行验证,结果证明,间接激子寿命随间接激子回旋半径(本研究用层间距近似)增大而延长,这与TRPL实验结果一致。由于空间位阻效应,双层MoS层间距会随着转角变化,呈现先增大,后减小的趋势,并在30°时,层间耦合作用最小,层间距最大。而间接激子的电子和空穴分别位于不同层MoS内,因此,层间距的变化直接导致了电子-空穴回旋半径的变化,即层间距越大,回旋半径越大,库伦引力越小,激子寿命越长。3,制备了TMDCs晶体管,探索了TMDCs的基础应用。通过对WS晶体施加缺陷,破坏其晶格完整性,研究结果发现,单层WS晶体管不再呈现出对称的欧姆接触特征曲线,而是呈现出肖特基接触特征。导致该现象原因是由于WS晶格中缺陷的存在。缺陷带电,因此,在两端施加电压时,受到库伦引力,缺陷会在晶体中移动,最终导致缺陷向一端电极聚集,导致源极、漏极电势不同,呈现出不对称的肖特基接触现象。本研究通过简单地调控人工堆叠层状二维材料层间相对取向,将激子寿命延长了一个数量级,提高了光生激子的电子-空穴分离度,实现精确调控,为激子物理的研究以及激子器件的应用奠定基础。并且,本研究开发了一种基于单层TMDCs的整流器,相比于目前半导体工业中的异质结整流,该方法可以使用单层替代异质结,从而大幅度削减工艺成本,提高效率。该晶体管的制备及测试为扭转双层TMDCs的基础应用奠定基础,有望基于扭转双层TMDCs结构制备高性能光电子器件。

关键词：二维过渡金属硫族化合物层间转角带隙工程激子寿命光电子器件