生物受激发光探测是一种感知水中目标的新技术、新手段。选取多边膝沟藻、夜光虫和月芽形梨甲藻3种典型海洋受激发光生物体为对象, 采用光谱仪、光子计数器、库埃特流场旋转圆筒等装置搭建了生物受激发光实验平台, 研究了不同刺激下生物体受激发光的光学特性, 并在此基础上结合概率论和数理统计理论, 建立了流场刺激下的生物发光的数理模型。结果表明: 发光藻的发光具有较好的单色谱特性, 峰值波长集中在472 nm左右, 谱线的半波宽度为30～40 nm。发光藻的发光随着机体的疲劳而变弱, 但发光能力随着机体的休息会慢慢恢复。同种刺激条件下, 3种藻发光强度的强弱依次为月芽形梨甲藻、夜光虫、多边膝沟藻。

通过红外光谱和荧光发射光谱分别对600 keV、4 MeV和5 MeV Kr离子辐照的SiO2进行发光特性的研究。在低能量辐照体系中, 简单色心(F2色心)的形成在损伤过程中占据主导地位, 其主要诱发蓝光发射带; 在高能离子辐照条件下, 离子径迹上的能量密度较大, 因此缺陷浓度的增大产生了一些缺陷团簇和离子径迹, 形成了复杂的色心(F+2和F+3色心等)并诱发了强烈的绿光发射带和红光发射带。该实验结果与能量损失过程中统一热峰理论模型(一个综合的基于电子能损与核能损的非弹性碰撞模型和弹性碰撞模型)的模拟结果能够很好地吻合, 表明在keV～MeV能区上存在电子能损过程与核能损过程的协同效应。

制备了一种新型的具有高功函数的掺钛酸镧(LaTiO3)的氧化铟(ILTO)三元透明导电氧化物薄膜, 并研究了其光电特性。EDX能谱测试结果证实了样品中In、La及Ti的存在, 薄膜的掺杂具有良好的均匀性及一致性。由原子力显微镜测试可知, 在一个5 μm×5 μm的扫描区域内, 样品的表面粗糙度(RMS)较小, 为1 nm量级。ILTO薄膜在可见光区域的平均透过率超过了85%, 其功函数接近于金的功函数( 5.2 eV左右), 远高于目前商业化的ITO的功函数(4.5~4.7 eV)。由于导电薄膜的功函数在光电器件中对异质结界面的势垒高度有着直接影响, 较高的功函数可以提高载流子的注入及抽取能力, 因此采用ILTO作为光电器件的阳极将有望改善器件的性能。

利用简单的水热合成法成功制备出α-TeO2∶Ho3+, Yb3+、α-TeO2∶Tm3+, Yb3+和 α-TeO2∶Tm3+, Ho3+, Yb3+纳米材料, 用 980 nm 的近红外光作为激发光源测定了样品的室温上转换发射光谱。结果表明: 样品α-TeO2∶Ho3+, Yb3+分别发射绿光(545 nm)和红光(651 nm), 分别对应于Ho3+离子的5S2 →5I8 和5F5→5I8能级跃迁。随着Yb3+的摩尔分数从5% 增加到15%, 样品在545 nm处的绿光强度明显变大, 发光颜色由黄光向绿光转变。样品α-TeO2∶ Tm3+, Yb3+ 在476 nm处发射出蓝光, 对应于Tm3+离子的1G4→ 3H6能级跃迁, 两个弱红光峰( 651,675 nm)分别对应于Tm3+离子的1G4→3F4和3F2→3H6能级跃迁。随着Yb3+离子浓度的提高, 蓝光与红光的相对强度也在显著提高。基于可调控性蓝光、绿光和红光的产生, α-TeO2∶Tm3+, Ho3+, Yb3+纳米材料能产生不同颜色的光, 包括白光。

采用热溶剂法制备了NaYF4∶Tb3+,Er3+六角相纳米粒子, 分析了合成条件对六角相粒子形成的影响。较高的反应温度有利于六角相NaYF4晶体的形成。实验结果表明: 六角相是热力学更稳定和更有序的结构, 从立方相到六角相的转变是从无序到有序结构的转变。随着尺寸的减小, 纳米粒子的下转换效率明显降低。为进一步比较, 制备了NaYF4∶Tb3+,Er3+核壳结构的纳米粒子。包覆后的纳米粒子的下转换效率明显提高, 其原因是包覆减少了表面缺陷进而降低了表面激发能量的猝灭。

采用溶胶-凝胶法制备了(Ba0.75Sr0.25)TiO3薄膜, 研究了不同退火温度下样品的物相结构、薄膜的光致发光性能和光学透过率。结果表明: 室温下非晶钛酸锶钡薄膜在蓝光激发下具有明显的发光现象, 发光波长范围是500～650 nm, 峰值在525 nm附近。延长非晶态薄膜的退火时间能够显著提高样品的发光强度, 且发光强度随薄膜厚度增加而增大。晶态薄膜有微弱的发光现象。透射谱测试结果表明, 钛酸锶钡薄膜在可见光范围内具有良好的光学透过率。

采用高温熔融法和热处理工艺制作了含有GdF3纳米晶的氧氟微晶玻璃。在386 nm激发下, Dy3+掺杂氧氟微晶玻璃的发光强度明显增强, 且蓝光对黄光的发光强度比逐渐增大, 表明Dy3+已进入到GdF3纳米晶中。在980 nm激光器泵浦下, Er3+, Yb3+共掺氧氟微晶玻璃的上转换发光随着热处理温度的升高明显增强, Er3+的上转换发光出现明显的Stark分裂现象, 这亦说明Er3+已进入到GdF3纳米晶相中。通过研究上转换发光强度与泵浦功率的关系, 确定绿光上转换发光为双光子过程。

采用改变生长条件的方法制备GaN薄膜, 在(0001)面蓝宝石衬底上利用金属有机物化学气相沉积技术制备了不同样品, 并借助X射线双晶衍射仪(XRD)、PL谱测试仪和光学显微镜对材料进行了分析。XRD(0002)面和(1012)面测试均表明TMGa流量为70 cm3/min时样品位错密度最低。利用该TMGa流量进一步制备了改变生长温度的样品。XRD和PL谱测试结果表明, 提高生长温度有利于提高GaN样品的晶体质量和光学性能。最后, 利用光学显微镜对样品的表面形貌进行了分析。

通过直流磁控反应溅射制备了氮化铝(AlN)薄膜, 研究了沉积条件与氮化镓(GaN)缓冲层对薄膜质量的影响。利用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了AlN薄膜的晶体结构和表面形貌。XRD研究结果表明, 低工作压强、短靶距和适当的氮气偏压有利于(002)择优取向的AlN薄膜沉积。随着沉积时间的增加, 沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽急剧减小, 而沉积在1 μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽几乎不变。SEM测试结果表明: 在沉积的初期, 沉积在1 μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的晶粒大小分布比沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的均匀, 而随着沉积时间的增加, 它们的晶粒大小分布几乎趋向一致。

制备并研究了基于3种小分子荧光材料的白光有机电致发光器件。发光层采用红色发光材料DCJTB掺杂绿光材料Alq3构成混合发光层, 与OXD-7构成的蓝色发光层形成异质结的结构, 并以NPB为空穴注入层。通过改变结构参数详细研究了发射光谱及其色坐标的电场依赖性。通过分析载流子注入/传输特性, 控制激子的复合区域等措施得到了色坐标稳定性好、光谱丰富的高性能白光电致发光器件。经过优化的器件结构可以覆盖更大的可见光区域, 当电压从9 V增加到13 V时, 色坐标仅从CIE(x,y)=(0.364, 0.314)偏移到CIE(x,y)=(0.332, 0.291), 具有较好的色稳定性。

利用水热反应和高温退火, 在100 nm孔径的多孔氧化铝(AAO)模板表面制备了GdBO3∶Eu3+/AAO发光薄膜。通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)等手段表征了GdBO3∶Eu3+/AAO薄膜的结构、形貌和发光性质。SEM显示GdBO3∶Eu3+/AAO的形貌可通过调节退火温度控制。XRD和PL的结果表明, 在AAO模板的表面所组装的GdBO3∶Eu3+为六方碳钙石型(Vaterite-type)结构。PL的结果表明: 5D0→7F2 和5D0→7F1的相对发射强度与退火温度有关, 5D0→7F2 红色发射与 5D0→7F1橙色发射之比值随退火温度的降低而增加, 降低退火温度可使GdBO3∶Eu3+/AAO样品的色纯度得到改善。

制作了一种新型绿色磷光有机电致发光二极管。器件结构为ITO/HAT-CN(x nm)/MoO3(30 nm)/NPB(40 nm)/TCTA(10 nm)/CPB∶GIr1(30 nm, 14%)/BCP(10 nm)/Alq3(25 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm), 其中X=0, 8, 10, 12, 14, 15 nm。电流密度-电压-亮度特性表明该结构有利于降低驱动电压和增加器件亮度。当HAT-CN厚度为12 nm时, 器件的最高亮度可以达到32 480 cd/m2, 起亮电压为3.5 V左右, 发光效率为24.2 cd/A。所设计的空穴型器件证明该器件结构具有很好的空穴注入和传输特性。

提出了一种轴向填充率渐变型二维三角晶格方空气孔光子晶体, 由锥形孔周期性排布而成, 在第三维也就是沿空气孔的轴向, 空气孔的尺寸连续改变, 实现了填充率渐变, 填充率f范围为0.700～0.866。经过模拟, 在归一化波长(λ/a)的1.43～2.71和3.41～4.00波段, 轴向填充率渐变型光子晶体可以将光向填充率小的方向偏折, 具有选光功能。采用电化学腐蚀与MEMS工艺相结合的方式, 在p型(100)硅基底上制作了轴向填充率渐变型二维三角晶格方孔光子晶体, 整个孔的填充率f在0.800～0.866范围内。

设计了基于银纳米线等离子体共振效应的大孔径微流通道的类熊猫型微结构光纤传感器, 采用全矢量有限元法对该传感器进行了数值研究, 讨论了待测液折射率等参数对光纤传感器的损耗和灵敏度的影响。结果表明:随着待测液折射率和银纳米线直径的增大, 损耗和光谱峰值λpeak都将增大; 并且当银纳米线的直径增加到一定程度时, 损耗和灵敏度都会呈现多峰值现象。最后取银纳米线直径d=150 nm, 得到最大幅度灵敏度为910 dB/RIU, 最大光谱灵敏度为1 400 nm/RIU。

采用磁控溅射的方法在p-GaN上制备了GZO透明导电薄膜, 通过在p-GaN和GZO界面之间插入AgOx薄层来改善LED器件的接触性能。研究结果表明: 氮气退火后, 采用界面插入层的AgOx/GZO薄膜电阻率为5.8×10-4 Ω·cm, 在可见光的透过率超过80%。AgOx界面插入层有效地降低了GZO与p-GaN之间的接触势垒, 表现出良好的欧姆接触特性, 同时使LED器件的光电性能获得了显著的提高。在50 mA的注入电流下, 相比于常规的GZO电极LED器件, AgOx/GZO电极LED器件的正向电压由9.68 V降至6.92 V, 而发光强度提高了13.5%。

对GaN基蓝光发光二极管(LED)分别施加-400, -800, -1 200, -1 500 V的反向人体模式静电打击,每次静电打击后, 测量LED样品电学参数和光学参数的变化, 从理论上分析了静电对LED可靠性的影响。实验发现: 对GaN基蓝光LED进行人体模式下的静电打击后, 其I-V特性曲线发生变形, 光通量减小, 老化时性能衰减的速率加快, 这是由于受静电打击后在LED芯片内部产生了二次缺陷和熔融通道。对LED在不同温度下进行了I-V特性曲线的测量。实验结论认为未受静电打击的LED中浅能级离化占主导地位, 受静电打击的LED中深能级离化占主导地位。静电引起的失效机理可以概述为二次缺陷和熔融通道的产生、深浅能级载流子的运动和辐射复合、非辐射复合之间的转变等因素引起的LED性能退化。

设计了一种具有独特双透镜外腔结构的可调谐窄线宽激光器, 利用一个温控50 GHz的标准具提供ITU标准波长序列, 通过一个压电陶瓷驱动的Fabry-Pérot可调谐滤波器选择一个标准波长实现单波长输出。实验结果表明:该激光器的调谐范围达到了1 525～1 580 nm, 覆盖整个C波段, 线宽为37.5 kHz, 400 mA电流条件下的输出功率超过50 mW, 边模抑制比超过50 dB, 达到或超过相干通讯应用的要求和其他单片集成类器件的指标。另外, 本结构具有位置容差大、调谐速度快(＜3 ms)、易于实现超窄线宽以及波长微调等优点, 待实现小型化和标准封装, 其大规模应用将成为可能。

为研究双温方程中电子热传导项和电子与晶格耦合项对激光辐照物体表面温度场求解的影响, 对这两项施加了约束条件。由于飞秒和亚皮秒激光与物质相互作用时间短, 电子与晶格来不及耦合, 所以对耦合项施加时间约束; 根据相分离条件(CPPS), 对热传导项施加空间约束。利用有限元方法建立了激光烧蚀金属铜膜表面的有限元模型。通过分析双温方程中热传导项和耦合项对计算结果的影响, 发现短脉冲激光与铜金属相互作用过程中电子与晶格耦合项可以忽略, 而传导项不可忽略。求解适当激光功率下的双温方程, 得到了激光作用中心电子与晶格在不同脉冲宽度激光辐照下的温度变化关系。根据100 fs激光作用后晶格温度场的空间分布情况, 研究了激光作用的相分离区域、相爆炸区域以及熔融区域的分布情况。

利用射频磁控溅射技术室温制备了铟镓锌氧(IGZO)薄膜, 采用X射线衍射(XRD)表征薄膜的晶体结构, 原子力显微镜(AFM)观察其表面形貌, 分光光度计测量其透光率。结果表明: 室温制备的IGZO薄膜为非晶态且薄膜表面均匀平整, 可见光透射率大于80%。将室温制备的IGZO薄膜作为有源层, 在低温(＜200 ℃)条件下成功地制备了铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT), 获得的a-IGZO-TFT器件的场效应迁移率大于6.0 cm2·V-1·s-1, 开关比约为107, 阈值电压为1.2 V, 亚阈值摆幅(S)约为0.9 V/dec, 偏压应力测试a-IGZO TFT阈值电压随时间向右漂移。

用荧光光谱和紫外-可见吸收光谱研究了稀土金属离子Y3+与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用。实验结果发现:Y3+对BSA的紫外吸收光谱具有增强作用, 而对荧光光谱具有较强的荧光猝灭作用且峰位明显蓝移20～25 nm。用 Stern-Volmer 方程分别对实验数据进行分析,得出结论: Y3+对 BSA 的荧光猝灭作用是属于静态荧光猝灭, Y3+与BSA反应生成了新的复合物,发生了分子内的非辐射能量转移。求得相互作用过程的结合常数(KA)和热力学参数(ΔΗ、ΔS、ΔG), 确定了它们之间的主要作用力是范德华力、氢键等, 但静电作用力也不可忽略。同步荧光光谱法表明Y3+对牛血清白蛋白的构象有影响。