采用两步高温热分解法合成了纳米异质结构的NaYF4∶Yb3+,Tm3+/CdSe。X射线衍射测试结果表明样品由纯六角相的NaYF4(β-NaYF4)和纤锌矿型CdSe组成。980 nm激发的上转换光谱表明NaYF4∶Yb3+,Tm3+和CdSe之间存在能量传递, Tm3+将Yb3+ 传递给它的能量部分地传递给CdSe, 被激发的CdSe又将能量回传给Tm3+的相应能级, 最终使得NaYF4∶Yb3+,Tm3+的紫外和蓝光发射完全消失, 而797 nm的近红外发射大幅增强。NaYF4∶Yb3+,Tm3+/CdSe纳米异质结构的激发光和发射光均处于生物组织的光学透过窗口(700～1 100 nm), 对生物组织的光损伤小, 在生物医学领域有很大的应用潜力。

高迁移率的二维电子气在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/ZnO异质结构中被发现, 二维电子气的产生很可能是由于这两种材料界面上存在不连续性极化。本文基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法。我们将极化分为3个部分: 电子极化、晶格极化以及压电极化, 结果表明压电极化在总极化中起着主要作用。

采用溶剂热法合成了α-NaYF4∶5%Eu3+红色荧光粉, 研究不同退火温度对荧光粉晶体结构、形貌、发光以及显色性能 (CIE)的影响。通过比较退火前后以及不同退火温度下荧光粉的发光性能, 发现退火使得禁戒跃迁5D0→7F0发生, 随着退火温度的升高, Eu3+所有发射峰都得到了相应的增强, 并且相应的CIE更趋向于红色; 但在高温退火时, 纳米晶之间的团聚更加严重, 而且CIE趋向于红色的速度变慢。基于非对称性比率σ的分析, 认为本文中5D0→7F0跃迁是由于Eu3+占据非对称中心格位所致。

采用自旋极化密度泛函理论方法对Co掺杂闪锌矿ZnO的能带结构、态密度、磁学和光学属性进行了研究。计算结果显示: Co掺杂闪锌矿ZnO的基态是反铁磁态, 具有金属性特征; 而铁磁态具有半金属性特征。铁磁耦合在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象, 表现出明显的不对称性和强烈的Co 3d和O 2p 杂化效应。磁矩主要来源于Co 3d轨道电子以及部分近邻耦合的O 2p轨道电子, 大小与Co原子的掺杂位置有关。光学性质计算结果显示, Co掺杂闪锌矿ZnO在可见光范围内都有较强的光吸收能力, 吸收峰在高能区发生了红移现象。理论计算结果表明, Co掺杂闪锌矿ZnO或许是一种优异的磁光材料。

以CdCl2和Na2TeO3为反应物, 抗坏血酸为还原剂, 通过湿化学法合成CdTe量子点/膨润土复合材料。采用X射线衍射、荧光光谱及紫外-可见光谱等分析技术对其结构及光学性能进行表征。以汞灯为光源, 甲基橙为目标污染物, 研究了CdTe/膨润土复合材料的光催化活性。实验表明: 在甲基橙溶液初始浓度为10 mg/L 时, 经汞灯光照反应60 min后, CdTe/膨润土因光催化反应对甲基橙的降解率为66.23%, 优于CdTe量子点光催化剂。

通过衬底加热和氧化钼(MoO3)修饰源漏极制备了并五苯有机场效应晶体管。研究了衬底温度和电极修饰层厚度对器件性能的影响。实验结果表明: 当衬底温度为60 ℃、MoO3修饰层为10 nm时, 器件性能获得了显著增强, 场效应迁移率由原来的3.39×10-3 cm2/(V·s)提高到2.25×10-1 cm2/(V·s), 阈值电压由12 V降低到3 V。器件性能的改善归因于: 衬底加热可以优化有源层形貌, 改善载流子传输; 而MoO3修饰层显著降低了电极与有源层之间的接触势垒, 提高了载流子的注入。因此, 衬底加热与电极修饰对于制备高性能有机场效应晶体管是不可或缺的优化手段。

有机聚合物脊形光波导的色散特性对聚合物光子学器件性能具有重要影响。本文利用标量变分理论计算脊形光波导的有效折射率, 其用到的近似光场分布运用变分有效折射率法获得。考虑折射率分布的横向变化, 基于导模满足的矢量波动方程, 利用微扰法对标量变分理论所得有效折射率进行偏振修正, 求得精度更高的色散特性。对聚合物多模脊形光波导基模和高阶模的色散特性进行分析, 研究了波导结构参数对色散特性的影响, 分析了单模波导TM、TE基模的偏振色散特性。研究结果表明, 运用本征方程分析TM模的色散特性误差大, 必须加以修正; 而对于TE模, 其误差相对较小。

研究了p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN太阳电池性能的影响。模拟计算发现, 随着p-InGaN层厚度的增加, InGaN太阳电池效率降低。较差的p-InGaN欧姆接触特性会破坏InGaN太阳电池性能。计算结果还表明, 无论欧姆接触特性好坏, 随着p-InGaN层厚度的增加, 短路电流下降是导致InGaN电池效率降低的主要原因。选择较薄的p-InGaN层有利于提高p-i-n结构InGaN太阳电池的效率。

为提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率, 将蛾眼微结构应用于OSCs上。通过理论模拟计算, 得出在有机层厚度一定的情况下, 带有蛾眼微结构的OSCs相比于普通平板结构的OSCs的光吸收效率有较大的提高。通过对微结构形貌、周期和高度的优化, 使蛾眼结构OSCs的光吸收效率比普通平板OSCs提高了11.3%。器件光场分布的模拟计算表明, 光吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和表面等离子体(SPP)增强吸收共同导致的结果。

制备了一种具有高导电性、高透过率以及良好的柔性和机械稳定性的还原石墨烯氧化物(RGO)-银纳米线(AgNW)复合电极。将低浓度的AgNW旋涂在制备的RGO薄膜上, 使AgNW搭接在RGO的晶界、褶皱处, 提高了RGO薄膜的载流子迁移能力。在保证透过率的前提下, 提高复合薄膜的导电性能。结合薄膜转写工艺, 制备了电阻为420 Ω/□且透过率达62%的RGO-AgNW柔性复合电极。该复合电极具有良好的柔性以及机械稳定性, 随着弯折次数的增加, 电阻没有明显变化。

基于标准CMOS工艺的p+源/漏区和n阱, 设计了两种楔形瓣状结构的正向注入型硅基发光二极管(Si-LED), 采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺设计制备。测试结果表明, 正向注入型p+/n-well二极管的发射波长位于近红外波段, 峰值波长在1 130 nm附近, 且工作电压小于2 V, 与标准CMOS电路兼容。其中, 八瓣结构的Si-LED (TS2)在200 mA时的发光功率可达1 200 nW, 且未出现饱和, 而注入电流为40 mA时的最大功率转换效率达5.8×10-6, 约为四瓣结构器件(TS1)的2倍。所研制的Si-LED具有工作电压低、转换效率高等优点, 有望在光互连领域得到应用。

通过将金属金嵌入到上下两层波导结构中, 与ZnO随机粒子相结合, 设计出一种新型结构的随机激光器。采用时域有限差分法(FDTD), 数值模拟了该随机激光器系统的光场分布和模式频谱图, 并针对金粒子和金薄膜两种情况进行对比分析。结果显示, 采用金粒子作夹层时, 出射激光模式数量减少, 单色性较好; 采用金薄膜作夹层时, 出射激光光强较大。

以巴条叠阵结构及封装方法为基础, 研制了一组高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵, 并研究了其相关的光电性能和寿命特征。结果表明, 所研制的器件在200 A的工作电流下, 重复频率250 Hz、脉宽200 μs时, 单巴峰值功率＞200 W, 50%光谱宽度＜3 nm, 电光转换效率＞50%, 寿命达到4.71×109 shots时的功率衰减＜15%; 当工作电流为150 A时, 预期寿命高达1.5×1010 shots。

利用气源分子束外延技术生长InAs/GaAs量子点激光器材料, 制作了由5层量子点组成的500 μm腔长的激光器。首次使用增益拟合和波长加权的方法计算了激光器的线宽展宽因子。其中, 增益拟合是对Hakki-Paoli方法计算增益的重要补充, 对判断不同电流下的增益是否饱和具有重要作用。对最大模式增益求导数, 当电流为50 mA时, 差分增益最大值为1.33 cm-1/mA, 然后迅速减小到0.34 cm-1/mA, 此时电流为57 mA (≈0.99Ith)。第一次使用加权波长来计算中心波长的移动, 发现Δλ慢慢减小直至接近于0。整个计算方法避免了在直接选取数据点时造成的误差, 线宽展宽因子计算值为0.12~2.75。

垂直外腔面发射激光器(VECSEL)可以实现大功率的高光束质量输出。针对外腔制作工艺复杂、腔体结构松散的缺点, 研制了一种介质膜集成衬底表面外腔底面发射激光器。将衬底表面生长的多层介质绝缘薄膜与N-DBR、P-DBR共同构成复合腔结构, 衬底充当外腔。该结构能够抑制高阶模式, 进而优化输出光谱及远场发散角等光束特性。在已有的理论指导下, 制作了有源区直径为200 μm、外腔腔长250 μm的VECSEL。室温下, 向器件连续直流注入3.4 A, 测试得到输出功率为260 mW, 远场发散角的半角宽度为3.8°, 光谱半高全宽为0.046 nm。与常规结构底面发射VCSEL进行比较, 发现VECSEL器件的光束质量得到了明显改善, 实验结果与理论仿真结果有较好的一致性。

根据最基本的2T1C像素电路, 建立了TFT各参数与AMOLED面板限制因素的计算模型。详细分析了AMOLED显示尺寸与TFT迁移率、金属方块电阻、刷新频率以及器件结构的关系。在大尺寸高分辨率AMOLED面板设计中, 信号线RC延迟是主要限制因素。TFT迁移率的提高在一定范围内对大尺寸显示面板设计有利, 降低RC延迟是实现大尺寸、高分辨率、高刷新频率显示的关键技术。开发铜布线技术和低寄生电容TFT器件结构是未来大尺寸AMOLED显示的关键技术。

光学仿真是白光LED照明设计中的一个重要方法, 但色度分布的光学仿真中计算量太过庞大, 以致在一般计算条件下无法得到可靠的仿真结果。为解决这一问题, 本文利用色度转换关系和逐点法计算色温, 引入数值拟合和像素合成两种处理方法, 有效降低了光学仿真结果的涨落。通过对处理结果和实验结果在照度和相关色温两方面的对比, 两种处理方法的有效性得到证明, 大幅提升了基于色度配光的光学仿真计算效率。

开展了多波段激光(750~970 nm)对彩色CCD成像系统的外场干扰实验, 测得了不同辐照条件下对外场1.3 km处彩色CCD成像系统的干扰效果; 建立了彩色CCD相机的激光干扰模型, 对实验结果进行了理论验证与分析。理论与实验结果表明: 强激光对彩色CCD成像系统的干扰效果明显, CCD靶面出现了明显的光饱和和串扰现象, 光饱和区域的形成是由激光束进入光学系统后发生衍射效应造成的; 到靶激光功率密度越强, CCD靶面光饱和面积越大, 激光干扰效果越好; 单波段750 nm激光作用下, 到靶功率密度为4.2 kW/cm2, CCD靶面的光饱和面积为0.88 mm×0.97 mm; 多波段激光(750~970 nm)作用下, 到靶功率密度为20.7 kW/cm2, CCD靶面发生全靶面饱和现象; 仿真结果与实验结果基本一致, 证明了理论模型的正确性。对远场干扰能力计算结果表明: 随着干扰距离的增加, 到靶功率密度减小, 激光干扰效果变差。

给出了一种在人眼中间视觉条件下道路照明光源安全节能性能分析的研究方法。通过构建基于中间视觉行车行为反应时间模拟测试系统, 建立了人眼中间视觉条件下的光视光效模型, 获得了中间视觉下的光视光效曲线。并通过该模型, 给出了基于照明功率密度LPD的光源节能性评价方法。从色度学理论出发, 选用Luv均匀颜色空间, 基于显色指数的光源显色性评价分析计算方法, 探讨了不同主波长光源的相对光谱功率分布变化对光源颜色的影响, 建立了光源主波长与显色指数的函数关系表达式, 可计算获得人眼敏感度与光源颜色各个波长点的关系。对上述方法进行了反应时间模拟测试实验和道路照明图像清晰度计算实验验证, 数据分析与计算结果表明, 在中间视觉条件下, 以540~550 nm为主波长的白绿色照明光源的功率密度和显色性最佳。