以CdS为壳层材料对核水溶性ZnSe∶Cu量子点进行包覆, 得到ZnSe∶Cu/CdS核壳结构的量子点。 研究了壳层厚度对ZnSe∶Cu量子点光学性能的影响, 采用TEM、XRD、PL和UV-Vis手段对所得样品进行表征。 实验结果表明: 量子点为立方闪锌矿结构, 分散性好, 形状为球形, 经壳层修饰后量子点的粒径由2.7 nm增大到4.0 nm。 随着包覆CdS壳层数的增加, 量子点的发射和紫外吸收谱红移, 说明量子点在长大, 证明CdS壳层生长在ZnSe∶Cu量子点的表面, 形成了核壳结构的ZnSe∶Cu/CdS量子点。 包覆CdS壳层后ZnSe∶Cu量子点的发光强度减弱, 但稳定性得到了提高。

对不同加速电压电子束泵浦下的ZnO/Zn0.85Mg0.15O量子阱的荧光光谱进行了研究。样品利用分子束外延技术在蓝宝石衬底上生长。激子隧穿使非对称双量子阱的激发效率相对于对称阱有了明显提高。非对称阱的结构设计使最佳激发电压从对称阱的7 kV降低到了更适合器件小型化的5 kV。

对Pechini法进行了改进。使用硝酸化合物作为反应物, 柠檬酸氨为螯合剂, 聚丙烯酰胺为聚合剂, N,N-亚甲基双丙烯酰胺为网络剂, 溶于丙酮的偶氮二异丁腈为引发剂, 制备了白光用YAG荧光粉。使用差热分析、XRD、SEM对YAG荧光粉进行了分析。相比于其他方法, 用改进的Pechini法制备得到的YAG荧光粉结晶完整, 物相较纯, 形成温度较低(860 ℃), 颗粒大小合适。将所制备的荧光粉涂覆在LED上进行了测试, 结果表明其发光效率为目前商业荧光粉的90.1%。

用坩埚下降法制备了Ho3+离子掺杂的LiYF4单晶。测定了Ho3+∶LiYF4晶体的偏振吸收光谱。应用Judd-Ofelt理论分别计算了Ho3+∶LiYF4晶体中Ho3+离子的有效强度参数Ω2, 4, 6、能级跃迁振子强度fexp和fcal、自发辐射跃迁几率A、荧光分支比β、辐射寿命τrad等光谱参数。测定了样品在640 nm光激发下的红外发射光谱,观测到由Ho3+离子的5I6→5I7跃迁所致的2.8～3 μm中红外发光,以及在1.2 μm (5I6→5I8)和2.0 μm(5I7→5I8)处较强的荧光。Ho3+∶LiYF4单晶样品的吸收峰线宽较宽,计算得到1.2 μm和2.0 μm的峰值发射截面分别达到0.20×10-20 cm2和0.51×10-20 cm2, 同时测定了1 191 nm(5I6→5I8)和2 059 nm(5I7→5I8)发射的荧光寿命。研究结果表明: Ho3+∶LiYF4晶体在2.0～3 μm波段的中红外激光器中有较大的应用前景。

利用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上沉积了一系列ZnO∶Mn薄膜, 结合Raman光谱、XRD衍射谱和SEM分析了工作气压对ZnO∶Mn薄膜结构特性的影响。 Raman拟合光谱显示, 在工作气压从1 Pa增加至4 Pa的过程中, ZnO∶Mn薄膜始终保持着六角纤锌矿结构。 但是, 随着气压的降低, 对应于E2(High)振动模式的Raman散射峰以及与Mn掺杂相关的特征峰左移, 说明在低工作气压时, ZnO∶Mn薄膜内晶格缺陷更多, 晶格更加无序。这一结论也得到了XRD和SEM结果的证实。

用热蒸发CVD法制备了β-Ga2O3纳米材料, 探讨了Au催化剂对纳米结构和形貌的影响, 并研究了其光致发光特性。Ｘ射线衍射(XRD)分析显示产物为单斜结构的β-Ga2O3。扫描电子显微镜(SEM)测试表明: Au催化剂颗粒尺寸较小时, 制备的产物为尺度均匀的β-Ga2O3纳米线, 宽度小于100 nm, 长度为几微米至几十微米; 增加催化剂颗粒尺寸时, 制备出的β-Ga2O3纳米结构的尺度变大, 形貌由纳米线逐步形成纳米带、片等形状。β-Ga2O3纳米结构在波长516 nm处有很强的绿光发光带, 而且随着催化剂颗粒尺寸的增加, 发光强度和峰位“红移”现象逐渐减弱。

以ITO导电玻璃衬底, CuSO4、KI为反应溶液, EDTA为络合剂, 通过简单的电化学方法分别在40, 60, 80 ℃的电沉积温度下成功制备出高定向的γ-CuI薄膜。讨论了不同沉积温度下碘化亚铜薄膜各项性质的差异, 作为比较还利用化学沉积方法在室温下合成了碘化亚铜粉末。利用X射线衍射图(XRD)进行结构分析, 场发射扫描电子显微镜(SEM)进行形貌观察。实验结果表明: 碘化亚铜薄膜由三角形纳米片构成, 沿(111)晶相择优生长。随着电沉积温度的升高, 颗粒的尺寸从2 μm减小到500 nm。不同电沉积温度制备出的碘化亚铜薄膜均在拉曼光谱上呈现出一个强的LO峰和一个微弱的TO峰, 峰的强度均随着电沉积温度的升高而增大。同时, 光致发光(PL)光谱的分析显示出强的近带边发射峰。CuI粉末在结构及形貌等性质上与CuI薄膜有一定的差异。

为了研究Ti-Si-N薄膜生长过程中界面的形成, 采用第一性原理计算了在TiN(001)表面上3N1Ti1Si岛的各构型的总能量和吸附能, 并计算了Si-in-3N1Ti构型转向Ti-in-3N1Si构型的两种演变方式所对应的激活能。计算结果表明: 在3N1Ti1Si的几种构型中, Ti-in-3N1Si构型是最低能量的稳定结构, 这种构型是由SiN相从TiN相中分离出来而形成的; 两种演变方式中以Si粒子迁出Ti粒子迁入所需构型演变的激活能较小, 更容易实现构型演变; 与2Ti2N1Si构型演变相比, 3N1Ti-1Si岛演变中SiN与TiN分离比较容易实现, 这意味着适当增加氮分量有利于SiN与TiN的分离。

研究了980 nm激发下β-NaYF4∶Yb3+,Er3+ 纳米片在不同温度下的上转换发光。在不同温度下, 观察到了较强的绿色和红色上转换发光, 分别对应于 Er3+ 的(2H11/2, 4S3/2) → 4I15/2 和4F9/2 → 4I15/2 能级跃迁。随着温度的升高, 520 nm 的绿色发光带和660 nm的红色发光带强度逐渐增大, 545 nm 的绿色发光带呈现出先增强(84～204 K)后减弱的趋势(204～483 K)。分析了样品上转换发光随温度变化的原因, 并用三能级模型对样品的上转换发光随温度的变化规律进行了理论分析。

利用水热法经过或未经过进一步热处理合成LuVO4∶Eu3+亚微米(或纳米)荧光粉。通过X射线粉末衍射、扫描电子显微镜、光致发光光谱、衰减曲线对所得的荧光粉进行性能表征。LuVO4∶Eu3+荧光粉的激发光谱在275 nm的吸收峰主要来源于Eu→O电荷跃迁, Eu3+ 的f-f跃迁在紫外和可见光区域有395 nm和 466 nm两个强峰。从最佳掺杂摩尔分数的LuVO4∶8%Eu3+荧光粉中观察到Eu3+在619 nm 处强烈的发射峰对应于5D0→7F2跃迁。实验结果表明LuVO4∶Eu3+可作为潜在的红色荧光粉应用于显示与照明领域。

利用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了具有低温插入层结构的绿光LED, 研究了具有插入层结构的LED的发光特性。插入层的引入增加了In在量子阱中的并入, 并且引起了波长红移。经过分析, 认为是In的相分离和极化场带来的红移, 且恶化了器件的性能。

以典型发光材料——联苯乙烯衍生物(4,4′-bis(2,2′-diphenylvinyl)-1,1′-biphenyl,DPVBi)和红荧烯(5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene,Rubrene)分别为蓝色、橙色发射体, 通过在DPVBi中插入一层超薄Rubrene制备了结构简单的非掺杂型白色有机电致发光器件, 得到了低压启动、效率和色度俱佳的白色发光器件。器件启亮电压为3.1 V, 最高电流效率为6.7 cd/A(流明效率5.5 lm/W或外量子效率2.8％), 器件色坐标达到理想的白平衡点(0.33,0.33)。理想白光的获得归因于通过调整NPB/DPVBi界面到Rubrene的距离, 实现了从DPVBi到Rubrene能量传递的最佳比例。

分别设计与优化了非晶薄膜太阳能电池的上表层和电池底部结构, 采用严格耦合波方法(RCWA)数值计算了电池的光吸收。计算结果表明: 在仅考虑TM偏振的情况下, 优化后的增透膜与无增透膜相比, 300~840 nm波长范围内的吸收平均提高了35%左右; 优化后的背反射器与无背反射器相比, 700~840 nm波长范围内的吸收平均提高了23%左右。该非晶硅薄膜太阳能电池结构在全角宽频范围内有较高吸收, 可以提高太阳能电池的转化效率。

利用电化学方法在硅太阳能电池的金字塔上面刻蚀一层多孔硅, 研究多孔硅对硅表面反射率、光电转换量子效率的影响以及氧化对不同波长的光电转换量子效率的影响。研究发现氢氟酸浓度对反射率没有明显的影响, 而电化学反应时间可以调制反射率最低波长点, 最终获得综合反射率低至2%的优质减反效果。多孔硅的存在使得300～500 nm的光电转换量子效率降低, 500 nm以上长波的光电转换量子效率增加。氧气氛围中的快速退火能够有效降低少数载流子的表面复合, 从而增加短波段的光电转换量子效率。

有机电致发光器件的稳定性是其实用化面临的主要难题之一。为了研究有机/有机界面性质对有机电致发光器件稳定性的影响, 采用溶液旋涂的NPB(NPBSC)作为器件的空穴传输层制备了两种异质结电致发光器件: ITO/NPBSC/Alq3/LiF/Al和ITO/NPBSC/NPB/Alq3/LiF/Al, 对比研究了器件的发光性能和工作稳定性。研究结果表明: 完全使用NPBSC作为空穴传输层的器件性能和稳定性都较差, 这归因于不稳定的NPBSC/Alq3界面, 在空气中旋涂制备NPB层时, 空气中的水蒸气和氧气分子会粘附在空穴传输层表面, 这样就会引起界面处Alq3分子的发光猝灭。插入10 nm真空蒸镀的NPB层可以显著地提高器件的发光性能和稳定性, 10 nm的NPB层把污染界面与激子复合区界面分开, 避免了水蒸气和氧气分子对Alq3分子的发光猝灭, 器件的效率增加了1.15 cd/A, 半衰期寿命提高了4倍。

设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池, 利用严格耦合波方法对矩形光栅和三角形光栅结构砷化镓吸收层在300～900 nm入射波长范围内的吸收效率进行了分析。结果表明: 相比于平坦吸收层, 两种光栅结构在TE和TM偏振光条件下吸收效率均有提高, 峰值吸收率可提高55.9%。并对矩形光栅、三角形光栅结构参数进行了优化设计, 对两种光栅吸收层的角度依赖性做了分析, 得出在填充比和厚度相同的情况下, 正三角形光栅吸收层的角度依赖性最优。最后利用有限元法对入射光在电池吸收层的吸收增强效应进行了理论模拟, 通过与平坦结构吸收层的电场分布对比, 可以直观地看出入射光在光栅结构吸收层的吸收增强效应。该研究结果为制备高效率、高性能太阳能电池结构提供了参考依据。

在Si(111)衬底上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长了AlN和GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜研究了AlN缓冲层生长时的载气(H2)流量变化对GaN外延层的影响。椭圆偏振仪测试表明: 相同生长时间内AlN的厚度随着H2流量的增加而增加, 即H2流量增加会导致AlN生长速率的提高。原子力显微镜测试表明: 随着H2流量的增加, AlN表面粗糙度也呈上升趋势。XRD测试表明: 随着AlN生长时的H2流量的增加, GaN的(0002)和(1012)峰值半宽增大, 即螺型穿透位错密度和刃型穿透位错密度增加。可能是由于AlN缓冲层的表面形貌较差, 导致GaN的晶体质量有所下降。实验结果表明: 采用较低的H2流量生长AlN缓冲层可以控制AlN的生长速率, 在一定程度上有助于提高GaN的晶体质量。

采用十二烷基磺酸钠(SDS)和聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)做分散剂制备了分散性能良好的多壁碳纳米管溶液, 借助聚二甲基硅氧烷(PDMS)在硅片表面形成亲水疏水区域, 采用溶液法制备了图案化的碳纳米管薄膜电极。应用图案化碳纳米管电极制作聚(3-己基噻吩)有机薄膜晶体管, 以 SDS和PEDOT/PSS为分散剂获得的器件迁移率分别为0.01 cm2 ·V-1·s-1和0.007 5 cm2 ·V-1·s-1, 开关电流比均为3×103。

设计并制备了808 nm波长布拉格反射波导激光器, 在垂直方向采用光子带隙效应进行光场限制, 实现了超大光模式体积和单横模激射。所制备的10 μm条宽、未镀腔面膜的器件在室温、准连续条件下的总输出功率可超过650 mW, 最高功率受热扰动限制。激光器垂直方向和水平方向的远场发散角半高全宽分别为8.3° 和8.1°, 这种近圆形的光束输出可以有效地提高激光器的耦合效率。

基于10 nm尺度图形加工技术, 通过改变金属纳米结构的大小和形貌, 利用金属纳米结构的表面等离子体共振性能开发出SEM纳米彩色图片制作技术, 使得图形的像素在60 nm尺度可控(约100万dpi)。利用图像处理技术可以快速生成加工版图, 而通过电子束曝光和沉积技术则能够得到结构不同的Au/Ag纳米颗粒。结果表明: 由于结构不同的Au/Ag纳米颗粒的表面等离子体共振性能不同, 使其发光性能覆盖了可见光波段。本文通过改变Au/Ag纳米颗粒的大小, 利用图像处理算法对不同大小的Au/Ag纳米颗粒进行排列组合, 从而得到SEM纳米彩色图片。

利用FLUENT软件对3种环形分隔进口(4环、8环、12环)的氢化物气相外延(HVPE)反应器的生长均匀性进行了二维数值模拟研究。分别考虑输运模型和输运-生长模型, 模拟过程保持相同的GaCl、NH3及N2气体进口流量。结果显示: 在只考虑输运的模型中, 反应室流动均匀性随着进口环数的增多而改善。8环进口时, 衬底上方温度分布最均匀; 4环进口时, 衬底上方的GaCl浓度较高, 但均匀性最差, Ⅴ/Ⅲ比也较低; 8环及12环进口可得到均匀的GaCl浓度分布及较高的Ⅴ/Ⅲ比。在包括输运和GaN生长的模型中, 尽管8环进口反应器衬底上方的GaCl浓度低于12环进口反应器, 却因其较薄的边界层厚度而导致较高的生长速率, 并且生长均匀性较高。因此, 8环进口反应室更有利于GaN的HVPE生长。

理论和数值研究了轴向均匀的三层波导系统中太赫兹表面等离子激元的单向传输行为, 三层系统由厚度为d的高介电常数介质层插入到低介电常数介质层和磁光半导体层中间组成。计算结果表明, 在外加磁场的作用下, 系统存在单向传输的频段。通过金属微米粒子的耦合及调节磁光半导体区域的磁场方向, 可以有效控制表面等离子体激元在三端口系统中的传播。

土壤光谱分析技术具有分析速度快、成本低、无危险、无破坏、可同时反演多种成分等特点, 基于高光谱成像技术可以快速获取土壤性质及其空间分布特征。本文针对农田土壤监测的需求, 设计了一种无人机载高光谱成像仪, 选择Offner凸光栅光谱成像系统实现了无谱线弯曲和无色畸变的设计结果。400～1 000 nm波长范围内的衍射效率为15%～30%, 对地成像效果清晰, 在3 km飞行高度可以获得覆盖宽度为0.6 km、地面分辨率为0.6 m的地物目标高光谱图像, 可提供0.4～1.0 μm波长范围内120个谱段的高光谱图像, 光谱数据准确、稳定。结果表明, 该高光谱成像仪满足设计要求且可以快速获得高精度成像光谱信息, 适合用于对农田土壤的监测。