氧化锌/石墨烯复合回音壁模微腔中紫外激光的研究

UV laser from ZnO, as a pursuring target of semiconductor scientists, has been paid considerable attention in the past decade, but it was suppressed by the bottleneck issue of p-type doping.In this case, heterojunction with novel microcavity should be an available approach. Based on our previous completed project supported by NSFC, this project would further invistigate the whispering-gallery mode laser from a novel Zno/graphene microcavity by integrating the advantages of graphene，such as flexibility, tranparance, high electron mobility, and corresponding surface plasma resorance. It is expected to enhance the optical gain, hence to improve optically and electrically pumped laser properties.It will provide the theoretical and technological support by systematic research on interaction among electron-excton-photon, processes of SPR generation, electron transport, energy transfer and stimulated emission.

氧化锌紫外激光一直是众多半导体科学家追求的目标，但p-型掺杂的瓶颈严重阻碍了器件的研发与应用，因此基于新型微腔设计与异质结构器件的构建便成为值得探索的重要途径。本项目在申请人已完成的前一个国家自然科学基金项目对ZnO微纳米结构微腔中回音壁模激光研究的基础上，充分融合石墨烯的柔性、透明、导电、高电子迁移率等优点，构建ZnO/graphene复合微腔及异质结激光器件，并利用它的紫外吸收增强，借助于表面等离激元共振效应，进一步提升微腔的光学品质，提高光泵浦和电泵浦条件下回音壁模激光性能。该项目的研究融入了新的材料和新的物理效应，将深刻揭示ZnO/graphene复合微腔中电子、激子、光子的相互作用，探讨新型微腔中SPR产生、电子转移与能量传递、自发辐射与激光振荡等一系列材料与器件的重要物理过程，为ZnO紫外激光器的实现及新型微纳光电子器件的研发提供理论依据与技术支撑。

本项目研究过程中，我们对高品质ZnO回音壁微腔及多功能graphene薄膜的优化制备，ZnO/graphene复合微腔中紫外激发、放大、振荡等过程的分析， SPR、激子、腔模等相互作用过程的探讨，ZnO微腔激光的输出性能增强及电泵浦激光特性的提升等方面进行了深入而系统的研究。研究过程中在ACS Nano, Nanoscale，ACS Appl. Mater & Interface，Appl. Phys. Lett.等国际刊物发表SCI论文33篇, 其中包括被国际顶尖激光学术期刊Laser & Photonics Review的邀请综述论文1篇，Adv. Opt. Mater.，J. Mater. Chem. C，Nanoscale及Funct. Mater. Lett期刊封面或封底报道论文各1篇。申请中国发明专利8项，其中已获授权7项。培养6名博士、8名硕士研究生获得学位。鉴于我们在回音壁激光领域的创新研究和系统工作以及对该学科方向的推进作用，本课题组获得2014教育部自然科学奖二等奖。主要的进展与创新成果列举如下：. （1）利用单层石墨烯高导电、高透明性特性，构建了石墨烯/ZnO复合回音壁微腔，实现了石墨烯表面等离激元共振增强ZnO回音壁激射，并首次有效实现了光场限域效应，系统的证明了石墨烯材料在紫外波段的SP响应能力。. （2）利用金属表面等离激元共振(SPR)实现了更低阈值及更高品质因子的回音壁模激射，系统分析了不同金属SPR实现ZnO紫外激光的增强机制。. （3）利用SPR效应以及Vernier效应分别在室温下获得了模式结构清晰、多模-少模-单模输出有效调控的ZnO回音壁激光输出，并实现了单模回音壁激光的输出。. （4）利用聚合物对界面进行修饰，改善了ZnO微米棒/p-GaN异质结微激光二极管的界面光损耗，从而提高了激光品质因子。