表面/界面态诱导的增强型ZnO非线性光学纳米晶研究

晶体的非线性光学特性通常来源于其内部的结构不对称性，然而近年来的研究发现，部分半导体纳米材料如ZnO纳米晶具有外在复杂的表面/界面性质，可有效增强光学谐波和多光子吸收等非线性光学效应，从而具有广阔的应用前景。但相关的分析方法和测量手段仍处于定性分析的初步阶段，阻碍了这类半导体材料的应用化进程。.结合申请人在界面态对ZnO微晶非线性光学增强方面的研究基础，本项目拟通过各种化学和物理方法制备具有不同表面/界面性质的复合ZnO纳米晶；通过Z扫描，荧光光谱，荧光寿命，磁场下的光谱等测量方法来研究表面/界面态对ZnO纳米晶非线性吸收，非线性折射，光学二次和三次谐波，以及多光子荧光等性质的影响；揭示表面/界面态对ZnO纳米晶光学非线性极化率增强作用的物理机制；最后利用分析得到的规律，指导制备过程，研制出高效率和具有可控性非线性光学特性的ZnO纳米晶。

本项目主要针对ZnO纳米材料进行非线性光学特性的研究，旨在探寻以界面/表面态效应对以ZnO为主体的材料的非线性光学增强的机理，以及通过这样的机理设计出具有高非线性极化率的ZnO纳米材料。在材料制备方面，项目负责人成功制备了ZnO纳米薄膜，ZnO-TiO2复合薄膜，ZnO掺Co/Ni纳米线和ZnO纳米线等多种纳米材料；在仪器搭建方面，申请人和项目主要成员在所在课题组组建了非线性光学实验室，搭建了Z-扫描系统，光Kerr系统和强磁场PL谱测量系统；在性能测试方面，对ZnO纳米材料进行了XRD，光吸收表征，然后利用上述光学非线性测量系统对其进行了三阶非线性吸收、折射和二次谐波、PL谱的测量。主要结论如下：ZnO掺Co/Ni纳米线表现出良好的二次谐波各向异性，显示出沿垂直纳米线方向较大的二阶非线性效应，是由于复杂界面引起的；ZnO-TiO2复合薄膜展现出层厚依存的三阶非线性效应，增多界面和层厚在一定值时得到最优化的非线性极化率；高质量ZnO纳米线展现出极高的低温绿光光致发光效率，可能是由氧空位引起的界面态增强效应引起。