石墨烯/掺Er氧化锌复合结构中Er3+光致发光增强机制研究

As for graphene and semiconductor hybrid structures, due to the effect of graphene , semiconductor materials exhibit many novel physical properties. Among them, it is evidenced that the photoluminescence(PL) at the ultraviolet excitation or of ultraviolet emission of the semiconductor material in the hybrid structures is enhanced greatly, but the physical mechanism for the enhancement is still not clear. This project focuses on the investigation on PL enhancement mechanism of Er3+ in graphene/Er-doped ZnO hybrid structures. By designing the structure of graphene/ Er-doped ZnO hybrid structures, such as, inserting a ZnO spacing layer between the graphene and the Er-doped ZnO film, and by applying an electric field to adjust carrier concentration in the graphene, together with the results of microstructure characterization of the graphene and analysis of photoluminescence spectra of graphene/ Er-doped ZnO hybrid structures under the excitation at different wavelengths as well as the time-resolved spectra, the mechanism of PL enhancement of graphene/ Er-doped ZnO hybrid structures will be clarified. On the understanding of this mechanism, luminescence properties of Er3+ in Er-doped ZnO film will be improved greatly, thus providing scientific evidence for the applications of this material in optoelectronics field.

石墨烯与半导体结合的复合结构材料，由于石墨烯的作用，半导体材料表现出许多新的物理性质。其中，实验上观察到复合结构中的半导体材料在紫外光激发下或紫外发射的光致发光有明显增强，但其物理机制仍不清楚。本项目拟开展石墨烯/掺Er氧化锌（石墨烯/EZO）复合结构中Er3+光致发光增强机制研究。通过石墨烯/EZO材料的结构设计，包括在石墨烯与EZO薄膜界面插入ZnO间隔层，通过电场调节石墨烯中的载流子浓度，结合在不同条件下制备的石墨烯材料的微结构表征以及不同波长激发的光致发光光谱和瞬态谱结果分析，弄清楚石墨烯/半导体材料复合结构中半导体材料在紫外光激发下或紫外发射的光致发光增强机制。在此基础上，提高EZO薄膜Er3+的发光特性，为该材料在光电子领域中的应用提供科学依据。

石墨烯因其严格的二维形态及特殊的能带结构，受到科学界的广泛关注，其最重要的应用是与半导体材料结合制备各种功能性复合结构，使得半导体材料展现出更优越的光电特性和应用性能。实验上观察到，将石墨烯与半导体复合可使半导体材料的光致发光（PL）有明显增强，但其物理机制存在较大争议。进一步研究这一增强机制，并利用这一机制改善半导体材料的发光特性对于石墨烯的应用具有重要意义。.另外，随着信息通讯需求的增长，推动Si基光互连、光电集成的发展变得越来越重要。然而，由于Si是间接带隙材料，发光效率极低，寻求有效的Si基光源成为光电集成最大的难题。Si衬底上稀土掺杂氧化物半导体材料是一条非常重要的途径，尤其是稀土Er3+在1540 nm处的发光正好对应于光通信传输低损窗口1400-1700 nm波段的最低值，所以格外引人注目，研究Si衬底上稀土掺杂氧化物半导体材料的发光特性及提高其发光效率的方法在光电集成、光通信上的应用具有重要的现实意义。.因此，本项目开展了以下四个方面的研究，（1）探索了Si衬底上稀土Er及Er-Tm共掺杂ZnO薄膜（EZO、ETZO）的制备，实现了1400-2100 nm波段的宽带发光，弄清楚了ZnO与Er3+ 和Tm3+之间的能量传递机制；（2）设计石墨烯/Au/ZnO结构，研究了石墨烯的表面横向周期、层数对ZnO带边发光增强效应的影响，实现了1.37倍的ZnO PL增强，得到了基于表面横向周期调制的石墨烯等离激元增强PL的机理；（3）将石墨烯与不同表面粗糙度的EZO薄膜集成，实现了Er3+发光的1.69倍增强，验证了合适的表面粗糙度对于石墨烯等离激元有效激发至关重要；（4）研究了石墨烯/Si复合衬底上Er掺杂ZnO薄膜的生长机制和发光特性，发现石墨烯的存在提高了EZO薄膜的结晶质量，使得1540 nm处的发光增强2.4倍。基于EZO/石墨烯/Si制备了异质结发光器件，初步探索了该器件的电致发光特性，实现了1540 nm处的电致发光。这些成果为石墨烯在光电集成、光通讯领域中的应用提供了相关科学依据。.发表SCI论文5篇，会议论文5篇，已出版专著《硅锗低维结构材料可控生长》，培养研究生4名，其中2名取得博士学位，1名取得硕士学位。