基于宽禁带半导体纳米结构的紫外受激放大表面等离激元辐射的研究

高度相干的受激放大表面等离激元辐射（spaser)可视为以等离激元形式存在的"激光"，是目前纳米光学研究的前沿热点。紫外spaser由于波段位于蛋白质和DNA等生物分子的共振吸收带，在生物探测和传感器等方面有重要的应用前景，而目前尚未有相关的理论和实验报道。本项目拟采用以氧化锌为代表的宽禁带半导体纳米结构，与薄层绝缘体和金属组成三层体系（SIM）,探索实现紫外spaser的物理机制和激射条件：借助电磁场有限元方法，系统地模拟紫外等离激元在SIM结构中的传播、损耗和增益，研究如何选取合适的材料和结构因子，降低紫外等离激元传播中的损耗，同时使等离激元有效地诱导半导体中处于激发态的电子空穴对产生共振辐射，实现增益放大；并制备相应的原型器件进行实验验证。在此基础上，将纳米p-n结发光结构作为泵浦源与SIM结构结合，探索电注入产生spaser的相关机制，从而为实现功能化的纳米器件提供理论和实验基础。

本项目对基于氧化锌纳米线的半导体-绝缘层-金属膜（SIM结构）的紫外表面等离激元以及相关的电磁输运性质进行了系统的研究。借助有限元方法和电磁场耦合理论，研究了SIM结构所支持的导模的电磁能分布、有效折射率、传播长度和有效模场面积随电磁参数和几何结构参数的依赖关系。计算结果表明: 以氧化锌纳米线作为增益介质, 绝缘材料选择氟化镁, 金属选择铝能够实现对输出光场的亚波长约束, 有效模场面积达到λ2/100, 同时保持低的传输损耗和高场强限制；相对于CdS材料来说，基于ZnO纳米线的SIM结构，其实现激射的增益阈值要低的多，约800每微米。实验上，我们采用ZnO膜作为催化剂制备了尺寸均匀，晶体质量好的纳米线，利用双离子束沉积设备制备了MgF2和Al膜，从实验上构建了SIM波导结构。利用微区拉曼光谱和开尔文探针显微镜的联合测试系统对纳米线光学和电学性质进行了表征。采用325nm激光器激发纳米线，我们发现不同的尺寸激发的波导模式不同，在小尺寸下主要显示辐射模，而大尺寸则很容易形成F-P谐振腔；在高强度照射下，ZnO纳米线结构被破坏，其导模也无法再现，因此需要用飞秒激光器替代连续型激光器。利用开尔文探针显微镜测量纳米线的微区光电压谱，分析了纳米线和金属的接触特性，获得了其在300-500nm紫外至可见波段光照下随激发波长变化的光电响应特性。为了探索电注入ZnO纳米线产生Spaser的机制，采用非平衡格林函数方法系统研究了ZnO纳米结构的电学输运性质，当纳米管超过30nm时，其电流-电压特性几乎不随纳米管的长度变化；而对于掺杂的ZnO纳米结构的制备和物性研究，使我们有希望实现基于ZnO纳米结构的同质p-n结。本项目的研究有助于理解紫外光在SIM结构中的传播和激射特性，为制备功能化的纳米器件打下基础，在生物研究和传感检测等方面将展示重要的应用前景。