通过MOVPE方法生长了不同Al组分的3块AlxGa1-xN样品, 利用稳态光谱和时间分辨光谱对其样品的光学特性进行了分析。鉴于影响氮化物发光性质的极化电场或局域态的单一机制不能充分解释我们的实验现象, 提出了局域态-内部极化电场竞争的机制。通过对实验数据的分析, 得出如下重要结论: 样品PL峰位蓝移的温度起点基本对应于局域态和极化电场起作用的交替点, PL峰位发生蓝移的温度起点与光强-温度曲线的斜率出现明显变化的温度点一致; 随着温度的升高, 若AlGaN合金样品中PL峰位存在二次蓝移, 则说明样品中电场分布不均匀。

采用一种简单有效的原位水热合成方法, 使用石墨烯氧化物(GO)作为反应物和晶体生长基底成功制备出了还原氧化石墨烯/硒化锌(r-GO/ZnSe)纳米复合材料。采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)以及红外-可见光谱(FT-IR)等方法对r-GO/ZnSe纳米复合材料进行了检测。结果表明, 平均粒径在30 nm的立方闪锌矿晶体结构的ZnSe粒子均匀分散在氧化石墨烯片层上, 构成纳米复合结构。 UV-Vis光谱显示, 纳米复合材料的光学吸收的起始波长在445 nm附近。PL光谱显示, 纳米复合材料在470 nm附近存在一个很强的发射峰。这种石墨烯基纳米复合材料在白光二极管领域中有重要的应用价值。

采用高温固相法在1 400 ℃下经二次煅烧合成了橙红色荧光粉Ca3Y2-xSi3O12∶xSm3+, 研究了Sm3+离子掺杂浓度及助熔剂对荧光粉发光性能的影响。XRD结果显示, 所合成的荧光粉的主晶相为Ca3Y2Si3O12。荧光光谱分析表明, Ca3Y2Si3O12∶Sm3+硅酸盐荧光粉可以在320～500 nm范围内得到有效激发, 并发射橙红光。在402 nm激发下, 样品发射光谱中的主发射峰分别位于562 nm(4G5/2→6H5/2)、598 nm(4G5/2→6H7/2)和646 nm(4G5/2→6H9/2), 其中598 nm处峰值最大。改变Sm3+离子掺杂浓度发现: 荧光粉发光强度先增大后减小, 最佳Sm3+掺杂量x(Sm3+)为5%, 浓度猝灭机理为离子间的相互作用。讨论了几种助熔剂的影响, NH4F、CaF2和NaCl均降低荧光粉的发光强度, 只有H3BO3能够显著增强样品的发光, 其最佳掺杂质量分数为1%。

采用红外光谱、热重分析、紫外光谱和荧光光谱对侧链含查尔酮基团的聚(4-甲基丙烯酰氧基-4′-二甲氨基查尔酮)(PMADMAC)和聚(4-丙烯酰氧基查尔酮)(PAC)的光交联特性进行了研究。随着光照时间的增加, PMADMAC和PAC聚合物光致环加成反应迅速进行, 波长短的紫外线更易使得聚合物发生［2+2］环加成反应。与溶液状态相比, 固体薄膜状态下的光交联反应速率较慢。PMADMAC聚合物更容易发生光致环加成反应, 其光交联速率要比PAC聚合物快, 环加成反应也更彻底。采用荧光光谱研究了聚合物的发光特性, 发现PAC聚合物无荧光, 而PMADMAC聚合物具有溶剂极性敏感的荧光特性。在PMADMAC聚合物的稀溶液中, 随着365 nm紫外光照时间的增加, 荧光强度迅速降低, 其荧光特征波长在紫外光照射后发生蓝移。 PMADMAC和PAC聚合物的热稳定性较好, 光交联后形成热不稳定的环丁烷结构, 其热稳定性有所降低。

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了Te掺杂对单层MoS2能带结构、电子态密度和光电性质的影响。结果表明, 本征单层MoS2属于直接带隙半导体材料, 其禁带宽度为1.64 eV。本征单层MoS2的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成, 而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定; Te掺杂单层MoS2为间接带隙半导体材料, 其禁带宽度为1.47 eV。同时通过Te掺杂, 使单层MoS2的静态介电常数增大, 禁带宽度变窄, 吸收光谱产生红移, 研究结果为单层MoS2在光电器件方面的应用提供了理论基础。

利用飞秒瞬态吸收光谱和基于飞秒荧光上转换技术的飞秒时间分辨荧光动力学对T4有机染料敏化的Al2O3薄膜和TiO2薄膜中的激发态过程进行了研究。对这两种敏化薄膜中的荧光动力学进行了多指数拟合。所得到T4染料敏化TiO2薄膜中的电子注入效率为93%。此外, 通过静态非均匀电子耦合模型拟合, 得到T4敏化TiO2薄膜中的电子转移速率为1.17 ps-1。

利用分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长了B/N共掺的p型ZnO薄膜, 对比了B/N共掺和N单掺杂样品的物理学性能。通过X射线光电子能谱测试证明了在薄膜中存在有B和B—N键。B/N共掺样品的空穴浓度比单一N掺杂样品高近两个量级。且ZnO∶(B,N)薄膜在两年多的时间内一直显示稳定的p型电导。这是由于B—N键的存在提高了N在ZnO薄膜中的固溶度,且B—N键之间强的键能和B占据Zn位所表现的弱施主特性不会带来强的施主补偿效应, 说明B是N掺杂ZnO薄膜的一种良好的共掺元素。

采用微波水热方法合成了Er3+/Yb3+及Tm3+/Yb3+两个共掺杂的绣球花状NaY(WO4)2微米球样品。XRD结果表明所获得的产物为纯相体心结构的NaY(WO4)2, 利用SEM观察发现产物粒子结构为纳米片组装成的绣球花状。考虑到红外激光辐照对样品产生加热效应, 采用380 nm激发下不同温度的发射光谱获得了Er3+/Yb3+共掺杂NaY(WO4)2微米球的温度传感特性曲线和灵敏度曲线。把Er3+/Yb3+共掺杂NaY(WO4)2与Tm3+/Yb3+共掺杂的NaY(WO4)2按质量比1∶10进行混合, 采用980 nm激发测量了混合物的上转换发光光谱, 研究了激光持续辐照对Tm3+/Yb3+掺杂NaY(WO4)2样品的加热效应和Tm3+的1G4→3H6跃迁发光强度随激光辐照时间的变化。实验发现980 nm激光辐照使Tm3+/Yb3+掺杂NaY(WO4)2样品的温度持续升高并达到某一平衡温度, Tm3+的蓝色上转换发光也随着激光辐照时间的延长而增强, 最后达到饱和。此外, 在相同条件下, Tm3+/Yb3+共掺杂样品的激光辐照热效应比Er3+/Yb3+共掺杂样品的热效应更为显著。

采用直接沉淀法制备了层状框架γ-磷酸锆(γ-ZrP)及改性磷酸锆(γ-DDZrP), 通过插层化学法将吡嗪-2-羧酸生色团与改性磷酸锆进行杂化组装。X射线衍射结果显示, γ-DDZrP的层间距(3.70 nm)远远大于γ-ZrP(1.11 nm), 这有利于吡嗪-2-羧酸生色团的插入。组装后层状框架的层间距由3.70 nm减小为3.33~3.29 nm。 荧光光谱表明, 最大发射峰位置发生了明显蓝移, 由溶液中的373 nm蓝移至悬浮液的366 nm。研究发现, 吡嗪-2-羧酸在水溶液中的荧光强度很低, 但形成插层组装后, 悬浮液的荧光强度有了很大程度的提高, 当浓度为15 μmol/L时, 荧光强度增大了6倍。这说明γ-DDZrP能够改善吡嗪-2-羧酸的荧光性能, 有利于其在分子识别和荧光探针等领域的应用。

设计合成了一系列以邻菲罗啉为第二配体的离子型环金属铱配合物, 通过核磁共振和质谱分析对其结构进行了表征, 通过紫外吸收光谱、荧光光谱和循环伏安法对其光物理性质进行了研究, 并测试了其电致化学发光性能。结果表明:配合物1［(pq)2Ir(phen)］(PF6)和2［(dpq)2Ir(phen)］(PF6)波峰在554.5 nm和566.5 nm处, 发射黄色光;3［(pqcm)2Ir(phen)］(PF6)和4［(pqca)2Ir(phen)］(PF6)波峰在621 nm和618.5 nm处, 发射红色光。几种配合物的荧光量子效率在2.5%~7.9%之间, 配合物1的量子效率最高, 为7.9%。配合物1的电致发光效率是最好的, 在相同条件下为三联吡啶钌 (［Ru(bpy)3］2+) 的 9.50倍, 表明该铱配合物在电致化学发光领域有很好的应用潜力。

采用高温固相法快速降温合成Sr3-2xSiO5∶xCe3+,xLi+荧光粉。用X射线衍射仪和荧光分光光度计测试荧光粉的样品结构和发光性能。在1 420 ℃下煅烧得到四方相结构的Sr3SiO5∶Ce3+,Li+。样品的激发光谱分布于270~500 nm的波长范围, 有两个激发带, 峰位分别位于328 nm和410 nm, 表明样品可以被近紫外光有效激发。样品的发射光谱分布于420~650 nm, 发射峰位于528 nm处。在410 nm左右的近紫外光激发下, 宽带发射的峰位于528 nm。Ce3+的最佳掺杂量x(Ce3+)为0.8%, 并且发光强度随掺杂浓度的增加先升高后降低, 出现浓度猝灭。根据Dexter能量共振理论, 该浓度猝灭的原因是Ce3+的电偶极-电偶极相互作用。

制备了基于蓝色磷光材料bis［3,5-difluoro-2-(2-pridyl)phenyl-(2-earboxypyribyl)iridumⅢ］(FIrpic)、红色磷光材料bis(2-methyldibenzo［f,h］quinoxaline)(acetylacetonate)iridium (Ⅲ)(Ir(MDQ)2acac)的双波段白光有机电致发光器件。蓝色磷光材料FIrpic被掺杂在一种宽带隙的主体材料1,3-bis(triphenylsilyl)benzene(UGH3)之中, 红色磷光材料Ir(MDQ)2acac被掺杂在主体材料4,4′,4″-tris(carbazol-9-yl)triphenylamine(TCTA)之中, 并在两发光层之间加入一种宽带隙的空穴传输材料1,3-bis(carbazol-9-yl)benzene(mCP)作为中间层。制备的器件结构为ITO/NPB(40 nm)/TCTA∶Ir(MDQ)2acac 7%(10 nm)/mCP(x nm)/UGH3∶Firpic 8% (30 nm)/BPhen (30 nm)/LIF(0.8 nm)/AL(200 nm)。实验结果表明, 中间层的加入促进了发光层中电子和空穴的平衡并抑制了发光层之间的能量转移。加入适当厚度的中间层之后, 器件的性能得到了明显的提升, 相比于无中间层器件, 最高电流效率由3.4 cd/A提高到13.2 cd/A。

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备, 在蓝宝石(0001)面上外延不同生长时间AlN隔离层的AlxGa1-xN/AlN/GaN结构的高电子迁移率的晶体管(HEMT), 研究了AlN隔离层厚度对HEMT材料电学性能的影响。研究发现采用脉冲法外延(PALE)技术生长AlN隔离层的时间为12 s(1 nm左右)时, HEMT材料的方块电阻最小,电子迁移率为1 500 cm2·V-1·s-1, 二维电子气(2DEG)浓度为1.16×1013 cm-2。AFM测试结果表明, 一定厚度范围内的AlN隔离层并不会对材料的表面形貌产生重大的影响。HRXRD测试结果表明, AlGaN/AlN/GaN具有好的异质结界面。

为了有效抑制激光大气传输过程中引起的闪烁效应, 本文围绕照明光束相干性与闪烁指数关系展开研究。首先, 明确闪烁效应产生机理, 建立与光束相干性相关的数学模型。然后, 采用偏振分光元件将出射激光分为4束, 并破坏其相干性。在此基础上, 以随机相位屏为核心元件构建大气湍流仿真实验装置, 评估不同光束相干性条件下的远场光斑闪烁指数。实验结果表明, 4束光照明的光斑闪烁指数比单光束照明降低了75%。理论分析及实验结果均证明了多束部分相干光在抑制光强闪烁效应方面的有效性。

对AlGaInP-LED微型阵列发光单元的内部自发热机制进行了分析, 并通过对具有回型上电极的发光单元的理论分析与计算, 得到了其内量子效率与注入电流的变化关系及器件温度与所加偏压的变化关系。为保证内量子效率取值范围大于85%, 得到了器件的最佳工作电流和最佳驱动电压范围以及微阵列各层结构在最佳驱动电压下的热阻分布。通过计算得出器件在2.2 V电压下, 从p-n结到外部环境的有效热阻为96.7 ℃/W。讨论了减小器件热阻的方法, 计算得出在理想情况下, 添加热沉结构后有效热阻降为30.6 ℃/W, 表明所设计的热沉结构对器件的散热起到了明显的改善作用。

采用简单旋涂工艺制备了具有ITO/PVP/ZnO NCs/PbS NCs/PVP/Al 夹心结构的有机/无机复合电双稳存储器件, 与没有PbS纳米晶修饰层的器件ITO/PVP/ZnO NCs/PVP/Al相比, PbS纳米晶的引入使目标器件的开关比提高了2个数量级。结合器件的I-V曲线和能级结构分析了PbS 纳米晶修饰层对器件阻变和载流子传输的影响。结果显示, PbS纳米晶层的加入不仅优化了器件能级结构, 有利于载流子的俘获和释放, 还修饰了ZnO纳米晶的表面缺陷, 降低了器件载流子的复合损耗。

为实现表面增强拉曼散射(SERS)信号的快速检测分析, 报道了一种简单的利用SiO2包覆对巯基苯甲酸(4MBA)修饰的Ag纳米粒子形成核壳结构纳米颗粒SERS标记物的方法。通过调控溶液中硝酸钠的浓度来控制4MBA-Ag的聚集程度, 获得不同的“热点”效应, 然后利用SiO2包覆实现对聚集体的固定。扫描电镜结果证实此种方法非常有效。该体系中SERS的信号强度依赖于4MBA-Ag的聚集程度。该研究结果有助于实现聚集体SERS标记物在生物成像、检测和传感等方面的应用。

制备了二氧化硅壳层修饰的ZnS∶Mn量子点, 基于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与二氧化硅表面硅羟基的作用, 在纳米复合微粒表面进行了PVP的修饰, 得到了在海水中荧光性能及胶体稳定性良好的ZnS∶Mn/SiO2/PVP 量子点。在Pb2+对所制备纳米微粒具有荧光猝灭效应的基础上, 建立了用ZnS∶Mn/SiO2/PVP 量子点作为荧光探针检测海水中微量铅离子的新方法。研究表明, 量子点浓度为10-3 mol/L时, 海水中离子浓度在10~100 μmol/L范围内与ZnS∶Mn/SiO2/PVP量子点荧光猝灭强度呈良好的线性关系, 相关系数为0.994 6, 检出限为8×10-7 mol/L。

基于冷喷涂技术, 提出了一种替代传统100 W白炽灯的新型12 W LED球泡灯, 其散热器由纯铝板裁剪和弯折而成。在分析铜基板内部结构基础上, 借助ANSYS软件模拟不同覆铜层厚度和不同形状散热器的球泡灯温度场, 获得了具有最低芯片结温的LED球泡灯。研究结果表明, 铜基板厚度一定时, 芯片结温随覆铜层厚度的增加而降低。选择纯铝质散热器和增加覆铜层厚度可使LED球泡灯的结温降低为71.25 ℃, 低于芯片安全温度85 ℃, 满足散热和照明习惯要求。

提出了一种在二维三角晶格光子晶体线缺陷波导中放置椭圆空气孔的耦合腔波导结构。基于平面波展开法, 利用MPB对线缺陷波导的能带结构进行了计算并给出能带图。基于时域有限差分法(FDTD), 利用MEEP对椭圆空气孔在波导中的排列方式、数量、尺寸进行优化设计, 并对频率位于微腔共振频率处的光波在耦合腔波导结构中的品质因子和传输特性进行研究与比较, 给出了电场分布图。仿真结果表明, 当椭圆空气孔的长轴方向纵向排列时, 相应的微腔共振频率在光子禁带内可获得90%以上的透射率, 对应的品质因子Q可达104量级; 选择合适的参数, 获得的Q可高达107量级, 对应共振频率的透射率仍在60%以上。

分别以碲玻璃和SF6玻璃作为基质材料,设计制作了一种基于双折射效应的新型八边形晶格双芯光子晶体光纤偏振分束器。应用全矢量有限元法(FEM)分析了碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中结构参数对双折射和相对耦合长度特性的影响, 数值模拟了碲玻璃和SF6两种偏振分束器的性能。结果表明: 在碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中, 增大椭圆率可同时增加结构的双折射和相对耦合长度, 与SF6玻璃偏振分束器相比较, 碲玻璃偏振分束器具有更高的消光比和更大的带宽, 即在工作波长为1.55 μm处, 消光比达到最小值-53.46 dB, 且消光比小于-20 dB的带宽为120 nm。

提出并分析了一种结构紧凑的截线型滤波器。该滤波器建立在一种硅基混合型表面等离激元波导结构上。与通常的混合等离激元结构相比, 该波导结构在制作时只需对顶部的一层硅材料进行刻蚀, 不需在光刻步骤进行对准和套刻, 工艺简单易行。该截线滤波器由一截突柱波导与直波导耦合组成, 并采用三维时域有限差分方法对其频谱响应进行模拟计算。计算结果表明该滤波器与现有文献中的二维金属-绝缘体-金属波导截线滤波器具有类似的频谱特性。另外, 还进一步分析了截线部分及波导自身尺寸对器件输出频谱的影响。