力电光三相耦合效应提高ZnO微纳光子器件性能研究

ZnO是直接禁带宽带半导体材料，具有高的激子束缚能、较大的折射率、优良的压电特性、高的机械强度和良好的环境兼容性，这些独特特性使ZnO微纳材料被广泛用来制备微纳光子器件、纳米发电机和生物/化学传感器，在光学、电学、生物、能源和环境等多个领域引起人们极大的兴趣和关注。近年来的研究表明，微纳材料的机械/电学/光学性能的两相或三相耦合可用来制备新型器件，提高现有器件性能，而且是研究和发现材料新特性和器件新机理的一种有效途径。我们通过ZnO微纳材料中的力电光三相耦合效应进行提高ZnO微纳光子器件性能的研究，如提高太阳能电池效率、光探测器灵敏度和发光器件光强等；同时研究力电光三相在ZnO微纳材料和器件中耦合的物理机理，设计和制备新的功能器件和简单集成器件。项目的研究对于促进光子、电子和机械器件在微纳级别的集成具有重要意义，将推动微纳光子器件在机械、电学、光学、能源和生物等多个领域的广泛应用。

微纳材料的机械/电学/光学性能的两相或三相耦合可用来制备新型器件，提高现有器件性能，而且是研究和发现材料新特性和器件新机理的一种有效途径。本项目围绕II-VI族微纳材料光子器件的研制及力电光三场耦合提高其性能进行了系列深入的研究，主要研究内容有：1）理论结合实验，构建力电光三场耦合物理模型，研究机械作用对光学、电学和光电特性的影响；2）构建单根纳米线微纳光子器件，除ZnO外，还制备了CdS、CdSe等其他II-VI族纳米线，制备了基于纳米线的光探测器、LED和激光器等器件；3）实验结合理论研究微纳光子器件内的三场耦合效应，研究三场耦合对探测器灵敏度和发光器件的效率影响；4）致力于微纳光子器件的系统集成和应用研究。.取得的重要创新性成果、关键数据及其科学意义：1）首先成功研制了多种微纳光子器件，如LED，探测器和激光器等，尤其在纳米发光器件方面进行了深入全面的研究，实现了纳米发光器件的波长、阈值和模式等重要参数的调控，实现了单纳米线激光宽范围波长可控变化和偏振的连续可调，提供了一种解决纳米线激光器波长宽范围调控难题的新途径。2）在微纳光子器件内，针对界面缺陷导致纳米线基光电器件效率低的难题，率先将力电光耦合引入纳米线发光器件，显著提高了器件的性能包括发光器件的量子效率和光探测器的响应度，提高紫外LED量子效率2倍以上，弱光探测器探测灵敏度5倍以上。压电效应提高LED效率的研究，通过在光电器件内引入可控的应力，利用压电效应调控界面能带和势垒，从一个新途径克服了纳米LED中存在的缺陷和载流子不平衡这两个核心问题的影响。3）针对三场耦合中多效应共存难以区分的问题，构建线性力电光耦合理论，结合实验，揭示压电效应调控光子器件性能的物理机理，提出压电光电子学效应的判别准则。该项理论和实验相结合的研究加深了对三场耦合物理本质的认识，对相关研究起重要的指导和推动作用，吸引了更多的研究者开展相关工作。