双光子激发下氧化锌晶体中激化子的行为及激子-声子互作用机制

Zinc oxide material has re-attracted intensive research interest in disciplines such as condensate matter physics, material science and medical physics in recent years. In this research project, we propose to carry out detailed investigation on the optical properties of zinc oxide under two-photon excitation, which will contribute to the overall nonlinear optical properties of zinc oxide and also expand the application areas of zinc oxide material especially for the sub-areas such as high efficiency solar cell and two-photon imaging in medical field. Modern optical techniques such as low and variable temperature photo-luminescence spectroscopy and time-resolved photo-luminescence spectroscopy will be adopted to study the exciton/polariton recombination behavior and electron/exciton-phonon interaction mechanism in zinc oxide under two-photon excitation condition, with special focus on the situation of near resonant excitation, in which the energy of the exciting two photons is very close to the band gap of zinc oxide. Compared with ordinary one-photon excitation, two-photon excitation circumstance has a deeper penetration depth and larger effective excitation region, which may lead to some variations in exciton recombination process and exciton-phonon interaction mechanism in zinc oxide. Further more, electrons can only be excited to even exciton states under one-photon excitation while to odd exciton states under two-photon excitation. We will propose suitable theoretical models to explain the experimental results we will obtain. The outcome of this research project may also benefit the investigation of nonlinear optical properties of other semiconductor materials under similar excitation condition.

在本项目中，我们将对氧化锌单晶在双光子激发下的光学性质进行深入细致的研究，为完善氧化锌的非线性光学性质作出贡献，并对扩展氧化锌的应用领域提供支持。本项目主要通过低温/变温条件下的光致发光光谱和时间分辨光谱等现代光学实验技术研究在双光子激发条件下氧化锌中激子(激化子)辐射符合以及电子(激子)— 声子相互作用机理，并考虑近共振激发(两个激发光光子的能量与禁带宽度能量接近)时氧化锌对光子的吸收情况。相对于单光子激发，双光子激发时激光的穿透深度更深，有效激发区域更大，从而可能导致氧化锌中激子的辐射符合过程和激子— 声子相互作用机制发生变化。而且在单光子激发条件下，电子只能被直接激发到偶宇称激子态；而在双光子激发条件下，电子只能被直接激发到奇宇称激子态。我们将根据得到的实验结果提出合理的理论解释模型。本项目的实施将会对双光子激发下氧化锌以及其它半导体材料的非线性光学性质研究作出贡献。

氧化锌材料是第三代半导体材料中的重要代表，它具有宽的直接禁带（Eg～3.37eV），大的激子结合能（～60 meV）以及高质量的体单晶、薄膜和各种形态的纳米结构，这使其在新一代光电子器件、发光二极管、激光二极管、太阳能电池、医学造影等诸多领域有着广阔的应用前景。之前的对于氧化锌光学性质的研究主要集中在线性光学性质方面，而对于其非线性光学性质的研究则少得多。.在本项目中，我们通过仔细的变温光致发光以及时间分辨的发光来深入研究双光子激发条件下，高质量氧化锌单晶的激化子行为以及激子-声子互作用的温度效应等现象。我们对比测量了从15K到300K温度范围中氧化锌单晶在单光子和双光子激发条件下的光致发光（PL）光谱 （见附件图1（a）），明确观察到了带边附近发光峰的显著差别，并通过侧向收集发光信号佐证了氧化锌晶体中对带边发光的自吸收现象是导致这一差别的主要原因。部分结果已发表在了Science Bulletin，2017，62：1525-1529。为进一步的研究不同激发条件下氧化锌中激子的发光机制以及激子-声子相互作用机理，我们测量了氧化锌在低温和变温条件下的时间分辨光谱。在低温时可以直接观察到在双光子激发下束缚激子的双电子跃迁峰、一阶声子伴线峰的弛豫时间比在单光子激发下明显变长了（见附件图1（b）和（c））。这可能是由于在双光子激发条件下，在有效的激发区域内，激子形成后被束缚之后进行辐射复合，但发出的光子被重新吸收，这一过程不断重复，导致与束缚激子相关的发光峰的寿命延长。相关结果将在2019年于江苏镇江举行的第九届全国氧化锌学术会议与同行专家进行讨论并撰写论文。.本项目的实验数据和研究成果将对半导体材料在双光子（多光子）激发下光与物质的相互作用机制的形成更深层次理解，这也将对氧化锌及其他半导体材料在相关领域的实际应用提供知识基础及引导。