III-N基半导体量子点玻璃的构筑及其非线性光学性质的研究

Low-dimension quantum structures of III-N-based semiconductors have the excellent nonlinear optical properties, but glass is one of the most important nonlinear optical candidate materials. Combining both of advatages, the low-demension quantum structures of III-N-based quantum dots are constructed in the glass using the methods available, and there is reson to believe that research of such glasses has wide foreground in the field of nonlinear optics. For this purpose, III-N-based semiconductor quantum dots constructed in the glasses will be realized by combining both sol-gel and melting-phase separating methods with atmosphere control, respectively; The various factors which effect on the technological process are analyzed, and the optimum process parameters are given; Microstructures of such quantum dots formed in the glasses are characterized, and the structure forming mechanism of the quantum dots is presented in the glasses. Based on the above analysis, the various nonlinear optical parameters are measured in the glasses. According to the best or worst of the nonlinear optical parameters, the optimum process parameters and the typical microstructure characterization are confirmed, and the inherent law of the quantum dot glasses formed is also revealed. Finally, this project is to establish a theoretical model among the technological process, microstructure characterization, and the nonlinear optical parameters. And a general framework is given which is fit for the research on the nonlinear opitcs. The results could be helpful to provide a theoretical basis for research on such glassy materials in the field of nonlinear optical devices.

III-N基半导体低维量子结构具有优异的非线性光学性能，玻璃则是一类重要的非线性光学候选材料。结合二者的优点，采用可行的方法在玻璃中构筑III-N基量子点低维结构，有理由相信所形成的量子点玻璃在非线性光学领域具有非常广阔的研究前景。为此，本项目将采用溶胶-凝胶法和熔融分相法分别结合气氛控制的方式实现III-N基半导体量子点在玻璃中的构筑；分析工艺过程中的各种影响因素，给出优化的工艺参数；表征该类量子点在玻璃中的微观结构，给出该类量子点结构在玻璃中的形成机理。在此基础上，测试该类玻璃中的各项非线性光学性能参数，并根据参数的优劣确定优化的工艺参数和典型的微结构特征，摸索出这类量子点玻璃形成的内在规律。最终，本项目将建立一个该类玻璃工艺过程、微结构特征、非线性光学性能参数之间的理论模型，并且给出适合该类玻璃在非线性光学领域研究的通用型框架，为这类玻璃材料在非线性光学器件领域的研究提供理论依据。

III-N基半导体低维量子结构具有优异的非线性光学性能，玻璃则是一类重要的非线性光学候选材料，结合二者的优点，采用可行的方法在玻璃中构建III-N基量子点结构，有理由相信所形成的量子点玻璃在非线性光学领域具有非常广阔的研究前景。本项目利用溶胶-凝胶方法结合气氛控制的方式在玻璃中成功地构建了InN量子点结构，在此基础上，通过对气氛控制条件的细致分析研究，项目先后在玻璃中构建了多种具有较窄尺寸和较好分散的III族量子点结构，包括In2O3、InAg3合金、金属态AgGa、半导体AgInS2，该方法体系的确立为系列量子点在玻璃中的构建提供了一条方便可行的路线，这对于量子点结构在玻璃中的结构特性研究具有重要的意义。项目进一步细化气氛控制条件，在玻璃中实现了Ag-In2O3量子点结构，这一结构不仅可以改善这类材料由于量子点形成带来的玻璃光透过性下降的问题，而且初步实现了玻璃中量子点尺寸的可调控，这意味着量子点在玻璃中的形成可以根据实际的需要进行有效调节，这对于揭示传统玻璃中结晶相的形成和调控机理具有重要的理论研究价值。项目通过微观结构特征分析以及Z-scan系统下的三阶非线性光学性质测试，摸索出了用于表征量子点玻璃相关性质的通用型框架体系，寻找到了量子点在玻璃中形成的内在规律，观察到了明显的三阶非线性光学效应，特别是，所合成的这类玻璃普遍体现出了较好的三阶非线性吸收效应，这对于这类材料在光饱和吸收器、光限制器等非线性光学领域的应用具有积极的启示作用。