ZnO纳米结构阵列的制备、光学性能及应用研究

对已制备出ZnO纳米结构的自组装方法进行深入改进，在单晶硅衬底上实现密度和尺度可控的ZnO纳米结构自组装生长；结合化学气相沉积与高温高压脉冲激光沉积方法，实现ZnO纳米锥、纳米柱有序阵列的制备。对ZnO纳米结构阵列进行光致发光（PL）、阴极射线致荧光光谱（CL）测试，并在近场光学分析系统中对单根ZnO纳米锥、纳米柱及小区域范围内的纳米阵列进行光学性能测试分析，研究ZnO纳米材料的形貌结构对其光学性能的影响；根据ZnO纳米材料的几何结构特征，将其作为纳米尺度的光学谐振腔（F- P腔及基于WGM模的谐振腔），分析紫外光及可见光在腔中的传输特性并对其中WGM模发光增强现象进行研究，利用时域有限差分法（FDTD）对光在腔中的传输行为进行模拟分析并优化设计腔的几何结构。根据实验和理论研究结果，调整ZnO纳米结构阵列的生长条件，制备出具有优异性能的基于ZnO纳米结构阵列的光学谐振腔。

“ZnO纳米柱阵列的制备、物性及其在光电器件上的应用研究”研究工作已按计划顺利完成。按照项目计划书中的任务安排，“准一维ZnO纳米结构阵列的制备工艺研究”，“ZnO纳米柱阵列的发光性能的分析研究”以及“ZnO纳米结构阵列的光学性能改善及光学谐振腔设计的理论研究”三项任务都已基本实现。合成了准一维ZnO纳米柱、纳米片以及具有中空结构的ZnO柱阵列，并针对上述纳米结构的结构特点开展了相关的光学性能测试及应用研究。同时在项目进行过程中拓展了研究范围，制备多种形貌的ZnO纳米草、纳米梳并将其发光及场发射性能的研究也纳入到了本项目中，并取得了一系列较好的研究成果。其简述如下：.（1）在硅衬底上制备尺度及密度可控的ZnO纳米柱、纳米片。利用阴极射线致荧光光谱仪及显微分光光度计测试分析单根ZnO纳米柱、纳米片的发光性能。结合其特殊的几何结构，将其作为小尺度光学谐振腔展开应用研究。结果表明，ZnO纳米结构在受激之后所发出的光将在纳米结构内传输并发生全反射进而将在结构表面产生光的局域增强。实验过程中分别采用高能电子束以及365nm激光作为激发源使材料受激发光，两种激发方式均获得相同的测试结果。结合纳米结构表面的粗糙度，系统地研究了ZnO纳米结构受激后所发光在其内部的传输行为。.（2）在硅衬底上合成了具有中空结构的ZnO纳米柱。理论分析与光学模拟确定中空结构的存在使得光线在柱体的中空部位出现局域增强，因此纳米柱体的中空部位可作为一个纳米尺度光源。实验上利用高能电子束以及365nm激光激发具有中空结构的ZnO纳米柱，从两种激发条件下所获得的样品发光像均可直接观察到光强在柱体中心的聚集，测试结果证实中空结构对于光强在柱体中心的局域起到重要作用。另外，理论分析认为中空部位的尺度对于不同波段的光局域亦有重要影响。实验上我们已合成出可以发射385nm以及500nm光波的ZnO纳米光源，并且光源的最小尺度可分别控制在60nm以及150nm。.（3）制备了不同形貌ZnO纳米梳及纳米草阵列，并在材料的性能检测中获得良好的发光及场发射性能。实验结果与相关机理表明，纳米结构的形貌尺度及密度对其场发射性能产生重要影响，尖锐锥角以及大轴向尺度变化梯度都有利于其场发射性能的提高。结合晶体生长热力学理论对样品生长区温度、气体环境对其生长机制的影响展开研究，建立相应的ZnO纳米结构生长物理模型。