应力调制下II-VI族纳米材料光学特性及光-物质强耦合研究

Semiconductor nanomateials possess significant struture elasticity and fracture limit strength because of their micro-size, large surface-volume ratio and high crystal quality, this leads to new possibilities for tuning the physical properties of a mateial by precisely controlling strain. In this project, the CdS nanostructure, a typical group II-VI semiconductor material, is chosen as test-bed, the energy band shifts, the linear and nonlinear optical properties and cavity-exciton strong coupling effect under strain engineering will be studied comprehensively; the theoretical model for strain-modulated optical property changing will be proposed; the more effetive controlability of mechanics-nanostructure coupling will be explored, and low-cost, high stable nano-optics-mechanics coupled devices will be finally developed. Furthermore, strain engineering will be also expanded to the other goup II-VI nano-materials with much richer surface morphologies, in which the corresponding physics and potential applications will be explored. The output of the project will provide high efficient mechanical ways to control nanostructure-based functional optoelectronic devices, and will also find a wide range of applications of nano-optoelectronic devices in emission, sensor, photovoltaic and communications.

半导体纳米材料由于极其微小的尺度、大的体表比及高晶体质量，从而具有了非常显著的结构弹性和破裂极限强度。这为通过精确操控应力来调制材料物理特性提供了新的可能性。我们将以II-VI族代表性半导体材料硫化镉 （CdS）纳米结构为研究载体，全面细致澄清应力对CdS纳米材料的能带、线性及非线性光学性质、微腔-激子强耦合效应的调控作用；理论上构建合理的机械应力调制下纳米材料光学特性转变的模型；探索更加有效的纳米-机械结合的调控手段；发展更加低成本、高稳定度的纳米光-机械耦合器件。以此为基础，进一步研究其他形貌更加丰富的II-VI族纳米材料在应力调控下的物理特性及潜在的应用可能性。该课题研究成果将为以纳米材料为基础的功能化光电子器件提供高效的机械式控制手段，扩展纳米光电子器件在发光、传感、光伏以及通信等领域的应用。

利用应变工程调控材料特性及设计下一代新功能器件，这一方向展现了诱人的前景。尤其是半导体纳米材料，由于很高的晶体质量和得益于大的体表比的弹性极限强度，这为实现应变相关的新型功能器件提供了新的可能性。按照申请书和任务书的要求，我们逐项开展了应变调控微纳材料光学特性的研究工作，具体成果有：（1）在应变调控微纳材料光学特性研究方面，发展了原有的弹性衬底制备弯曲型纳米结构的技术，实现了纳米带面外弯曲的精确周期调控；获得了14nm波长范围的荧光峰位连续可调；实验详细给出了激子受应变调控下的动力学特征转变；并首次实现了应变对纳米带激光模式的有效选择，这为多模纳米光源的模式输出提供了全新的调控手段。进一步，我们还研究了利用弹性应变调控纳米线波导行为，实验上实现了波导光强的400%的强度调控，为基于亚波长纳米线进行光传输的片上集成光子学器件功能开发提出了新的思路。（2）在新型材料、光-物质强耦合方面，我们首次在简单的薄片层状材料自构型F-P微腔结构中，利用显微反射谱测量技术，实验上观测到明显的光-激子强耦合的光谱特征-反交叉行为。这为进一步利用应变调控激子能级进而实现应变对激子极化激元的调控奠定了基础。另外，紧跟新型钙钛矿材料体系，我们实现了单个微纳结构(微球)中单模激光的高品质输出，通过调节组分及微球尺寸可以实现可见区域的全谱段覆盖。该课题研究成果为以纳米材料为基础的功能化光电子器件提供了高效的机械式控制手段，扩展了纳米光电子器件在柔性器件领域的应用。综上所述，我们解决了项目申请中提出的大部分关键问题，基本实现了既定的研究目标，并在相关的微腔领域进行拓展，为进一步引入应变调控铺平了道路。本项目执行期间，共发表了标注该项目资助的SCI学术论文11篇，获得发明专利3项。