光诱导功能退化是胶体量子点在应用中面临的主要挑战之一, 本文针对这一问题研究了使用磁控溅射沉积SiO2薄膜形成钝化层来提高CdSe/ZnS量子点发光稳定性的方法。首先,通过三正辛基膦辅助连续离子层吸附反应方法合成了615 nm发光的红色CdSe/ZnS量子点。然后将量子点旋涂在SiO2/Si基片上, 再通过磁控溅射方法在量子点上沉积了厚度为20 nm的SiO2薄膜作为钝化层。使用连续波激光光源分别在空气气氛和真空条件下照射样品, 研究了经过不同照射时间后钝化和未钝化量子点的稳态光致发光光谱。结果表明, 随着照射时间的延长, 没有SiO2钝化的量子点的PL强度显著降低、PL峰值发生蓝移、FWHM不断增大。对比研究发现, 由于SiO2薄膜能够阻挡空气中的水和氧, 减缓了量子点表面的光诱导氧化现象, 因此显著提高了CdSe/ZnS量子点的稳定性。

采用高温熔融法制备了Tb3+掺杂高密度锗酸盐玻璃。分别测试了该玻璃的透过光谱、密度、荧光光谱、荧光寿命及X射线激发发光光谱, 揭示了该玻璃的物理化学性质和发光性质。透过光谱表明该玻璃具有良好的可见光透过率。高含量的Lu2O3和Gd2O3使得玻璃的密度高达6.4 g/cm3。该玻璃在377 nm光和X射线激发下发出强的绿光。544 nm发光的荧光寿命为1.325 ～1.836 ms。研究结果表明, Tb3+掺杂高密度锗酸盐玻璃是一种可用于慢速事件X射线探测器的候选闪烁材料。

采用高温固相法制备了系列不同浓度Eu3+离子掺杂的K2CaP2O7红色荧光粉。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、荧光光谱和荧光寿命曲线等手段对荧光粉的物相结构、形貌以及发光性质进行了研究。结果表明所制备的荧光粉均属于单斜结构, Eu3+离子掺杂没有引起晶体结构明显变化, 荧光粉形貌不规则, 颗粒为微米量级且部分发生团聚。在393 nm紫外光激发下, 荧光粉显示出红光发射, 最强发射峰位于613 nm。Eu3+离子掺杂浓度对发光强度有显著影响, 最佳掺杂摩尔分数为0.08, 由此计算能量传递临界距离为1.61 nm。荧光寿命受掺杂浓度影响较小, 当Eu3+掺杂摩尔分数为0.005～0.10时, 荧光寿命在2.45~2.58 ms范围内。变温发射光谱显示, 测试温度为150 ℃时, 荧光粉的发光强度为室温的73%。研究表明, Eu3+离子掺杂的K2CaP2O7是性能较好的红色荧光粉。

采用水热合成法合成了CaTiO3∶Re3+(Re=Eu, Dy)荧光粉, 通过XRD(X-ray diffraction)、SEM(Scanning electron microscope)和光谱对样品进行了分析。研究发现在pH=12时, 合成出的CaTiO3∶Re荧光粉结晶度和发光性能最好; SEM分析表明荧光粉颗粒尺寸在450 nm左右, 分散性好; 确定了稀土离子最佳浓度。在353 nm激发下, CaTiO3∶0.12Dy3+的发射峰分别位于485 nm(蓝)和576 nm(黄)。当Dy3+浓度发生变化时, 两种跃迁产生的蓝黄光发射峰的强度比值 (IY/IB)也会发生变化, 因此, 可以利用这一点对CaTiO3∶Dy3+荧光材料的发光颜色进行调谐。

以均苯四甲酸二酰亚胺(PMD)为原料, 采用真空气相沉积法制得PMD纳米自组装材料,由此建立了测定三硝基甲烷的荧光化学传感新方法。采用真空气相沉积法自组装PMD纳米材料, 并用扫描电镜、透射电镜、红外光谱、紫外光谱、差热分析及荧光光谱对材料进行了表征。扫描电镜图像显示, PMD纳米材料呈带状网络结构, 长度为30～100 μm; TEM图像表明, PMD纳米带宽度为100～300 nm,其中纳米线直径为120～220 nm。在 PMD分子自组装过程中, 分子间氢键、π-π等弱相互作用是构筑纳米结构的主要驱动力。一些较低沸点有机分子蒸汽对PMD纳米材料的荧光(λex/λem=377 nm/495 nm)有猝灭作用, 尤其是PMD纳米材料对三硝基甲烷有灵敏的响应。测定三硝基甲烷的线性范围为2.19×10-5～1.37×10-4 mol/L, R2=0.995, 检出限为1.02×10-6 mol/L。

为研究纳秒激光作用下的VO2薄膜的相变特性, 采用泵浦-探测技术进行实验。首先, 利用直流磁控溅射法制备VO2薄膜, 经X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析表明样品质量较高。然后, 测量VO2薄膜在波长532 nm处的透过率随温度的变化情况, 发现透过率随温度升高由32%上升到37%, 与红外波段完全相反。在此基础上, 选择1 064 nm泵浦光和532 nm探测光研究激光参数中能量密度和重频对VO2薄膜相变特性的影响, 同时结合ANSYS有限元软件对纳秒激光作用下VO2薄膜的单脉冲温升情况进行分析。结果表明: VO2薄膜在大于30 mJ/cm2的纳秒激光能量密度作用下, 单脉冲温升可达相变温度, 最小相变响应时间在14 ns左右。进一步提高纳秒激光能量密度, 其相变响应时间略有增加但变化不大。在100 Hz以内改变纳秒激光重频对VO2薄膜的相变响应基本无影响。VO2薄膜的相变恢复时间随着纳秒激光能量密度的增大而呈自然指数增加, 其变化过程与基底材料和纳秒激光参数密切相关。因此, 可以通过优化VO2薄膜基底材料参数提高其激光防护效果。

为了获得低成本、高结晶度的红荧烯薄膜, 采用溶液加工的方法和聚合物界面修饰层研究了红荧烯薄膜的性质。首先, 通过旋涂方法在Si/SiO2衬底上先沉积一层聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为界面修饰层, 利用偏光显微镜(POM)、原子力显微镜(AFM)研究了PVP层表面形貌及粗糙度。接着在PVP上滴涂红荧烯溶液后固化烘干, 制备红荧烯晶体薄膜, 研究了不同PVP浓度和不同成膜温度下界面修饰层对红荧烯表面形貌的影响。然后, 利用X射线衍射(XRD)表征对比研究了薄膜的微观结构。最后, 分析了红荧烯晶体薄膜的生长机制。实验结果表明: 80~140 ℃及低浓度的PVP条件下能得到结晶度高、连续的红荧烯球晶, 并且温度升高时, 球晶尺寸变大。PVP作为界面修饰层有利于改善红荧烯的成膜性, 制备高结晶度的晶体薄膜。

采用核壳结构的绿光CdSSe/ZnS量子点成功制备了顶发射绿光量子点器件, 并详细研究了它的光电特性。与具有相同结构的底发射器件相比, 顶发射器件在亮度、效率、色纯度、光谱的电压稳定性上都得到了显著提高。在相同电压7 V下, 尽管底发射具有更大的电流密度, 但亮度仅为831 cd/m2, 而顶发射器件的亮度则可达到1 350 cd/m2, 并且顶发射器件的最高亮度可达到7 112 cd/m2。在效率上, 顶发射器件的最大电流效率可达6.54 cd/A,远大于底发射器件的1.89 cd/A。在光谱方面, 在底发射器件中出现的红蓝部分的杂光在顶发射器件中完全被抑制, 而且顶发射光谱的半高宽显著窄化, 具有更高的色纯度。当电压从4 V变化到9 V时, 顶发射器件光谱始终保持稳定, 色坐标移动仅为(－0.005, －0.001)。 结果表明, 顶发射结构有利于提高量子点器件的亮度、效率、色纯度以及光谱的电压稳定性。

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd∶YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源, 快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统, 端面泵浦6 mm×60 mm的Nd∶YAG晶体, 并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温(25 ℃)时, 激光器获得了最大输出能量74.4 mJ、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出, 光光转换效率达到11%。在25~55 ℃的工作温度下, 对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试, 激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定, 当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时, 激光器对应的最低输出能量分别为48 mJ与37 mJ。

研究了静电放电(ESD)人体模式(HBM)下的脉冲应力对有机发光二极管(OLED)的性能及寿命的影响, 并讨论了相应的物理机制。对比分析了4组OLED在施加ESD放电为0, 200,800,1 600 V前后的电学和光学特性, 并进行了相应的寿命测试分析。研究发现, OLED器件的光谱对ESD不敏感, 随着冲击电压的增大, 由于静电打击对载流子的短期抑制效应, OLED的亮度出现轻微下降。在静电冲击电压为200 V和800 V时, 伏安特性没有发生变化; 当静电冲击电压增至1 600 V时, 反向漏电有明显增加。后续的加速寿命实验表明, 静电打击对器件的工作寿命没有明显的规律性影响, 但是会一定程度提高非本质老化失效的概率。

为了有效降低GaAs半导体表面态密度, 提出了采用正十八硫醇(ODT, CH3［CH2］17SH)进行GaAs表面钝化的方案。首先, 分别对GaAs (100) 晶片进行了常规硫代乙酰胺(TAM, CH3CSNH2)钝化和正十八硫醇钝化, 通过X射线光电子能谱(XPS)对比分析了钝化前后晶片表面的化学成分, 然后利用光致发光光谱(PL)对正十八硫醇处理的GaAs(100) 晶片进行了钝化时间的优化, 最后通过扫描电子显微镜(SEM)测试了钝化前后的晶片表面形貌。实验结果表明: 采用正十八硫醇钝化的GaAs(100) 表面, 相比常规硫代乙酰胺钝化方案, 具有更低的氧化物含量和更厚的硫化层厚度; 室温钝化条件下, 钝化时间越长, 正十八硫醇的钝化效果越好, 但PL强度在钝化超过24 h后基本达到稳定, 最高PL强度提高了116%; 正十八硫醇钝化的GaAs(100) 晶片具有良好的表面形貌, 表面形成了均匀、平整的硫化物钝化层。数据表明正十八硫醇是钝化GaAs(100) 表面一种非常有效的技术手段。

利用电致发光(EL)的方法, 研究了突然失效的975 nm大功率应变量子阱激光器。起初, 我们以为激光器失效是由于腔面发生了突然光学灾变(COMD)。然而, 通过EL实验, 发现其中一部分激光器腔面没有任何损伤, 而内部发生了突然光学灾变(COBD), 为工艺的进一步改善指明了方向。对90只发生COD的激光器进行EL成像, 发现暗线缺陷(DLD)起始于腔面或是激光器内部。DLD是严重的非辐射复合区, 通常沿着有源区延伸出几个分支, 造成激光器功率急剧下降。详细分析了不同COD模式的特征并进行了对比。并进一步分析了两种典型COD模式发生的原因, 然后给出了抑制COD和提高大功率半导体激光器性能的建议。

为了实现纳米激光器的性能优化, 设计了一种基于纳米线、半圆形氟化镁、三角形空气槽和金属脊结构的纳米激光器模型。模型中耦合在低折射率电介质层中的SPP模式和纳米线波导可以在低折射率间隙下像电容器那样存储光能, 从而使低折射率的空气槽场强明显增大。应用有限元法在COMSOL Multiphysics软件下, 分析了该纳米激光器模型的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值随着设计结构几何参数变化的规律, 通过各部分折线图的综合分析来得出模型性能的数据。分析表明: 该模型的光场约束能力较强且传播损耗较低, 其中归一化面积最小可达到0.004 8, 有效传输损耗最小可达到0.002。波导模场区域和限制因素表明, 该激光器模型可以实现输出光场的亚波长约束。该模型基本实现了低增益阈值、低传输损耗和高品质因数的要求。

应用ZEMAX软件设计出高亮度大功率光纤耦合模块。采用16支输出功率12 W的单偏振态单边发射半导体激光器, 耦合进芯径100 μm、数值孔径0.22的光纤中。模块输出功率达到189.4 W, 耦合效率达到98.6%, 亮度达到94.66 MW/cm2-str。通过SolidWorks软件优化得到新热沉结构, 应用ANSYS软件进行热分析, 结果表明新热沉结构最高温度为42.4 ℃, 相比优化前温度降低1 ℃以上, 得到良好散热结构模型。

通过设计InGaN多量子阱LED有源区的不同结构, 研究了载流子复合机制对LED调制速度的影响。结果显示, 由于窄量子阱LED的载流子空间波函数重叠几率更高, 且电子泄露效应更显著, 所以复合速率更快, 调制带宽更高。In组分为1%的InGaN量子垒LED可提高辐射复合的权重, 使得调制带宽高于GaN量子垒LED; In组分为5%时, 电子泄露和俄歇复合占据主导地位, 且由于这两种复合机制复合速率很快, 所以调制带宽显著提高。

研究了不同垒厚对InGaN/GaN多量子阱电注入发光性能的影响及机理。实验发现, 当GaN垒层的厚度从6 nm增大到24 nm时, 垒厚的样品发光强度更强, 而且当注入电流增加时, 适当增加垒厚, 可以更显著增加发光强度。进一步结合发光峰位和光谱宽度的研究表明, 由于应力和极化效应的存在, 当垒层厚度在6~24 nm范围内时, 适当增加垒层厚度不仅会使得能带的倾斜加剧, 减少电子泄露, 而且也会增加InGaN阱层的局域态深度, 从而改善量子阱的发光性能。

采用旋涂法制备了氧化锆介质层薄膜, 重点讨论了退火温度以及旋涂转速对薄膜性能的影响及作用机制。研究发现高温后退火一方面使得氧化锆水合物脱水形成氧化锆, 另一方面促使氧化锆薄膜结晶。此外, 转速较高时, 其变化对薄膜厚度及粗糙度无显著影响。当转速为5 000 r/min、退火温度为300 ℃时, 制备的绝缘层厚度具有良好的厚度均匀性, 粗糙度为0.7 nm, 漏电流为3.13×10-5 A/cm2(电场强度1 MV/cm)。最终, 利用ZrO2薄膜作为栅极绝缘层, 在玻璃基板上制备了铟镓锌氧化物-薄膜晶体管(IGZO-TFT),其迁移率为6.5 cm2/(V·s), 开关比为2×104。

设计了基于LED单个窄带光谱光源的害虫诱捕系统, 可适应于不同害虫在不同季节环境下的趋光性。结合环境参数检测、诱杀虫量检测、单灯多波段LED调控和网络化分布式布局的系统功能, 通过害虫趋光自适应模式选取确定最佳光谱LED光源, 引诱最大化害虫量。设计了适应生态农业领域不同植株高度和密度的网络化诱捕系统结构。设计了基于害虫趋光性和趋色性的LED多波段灯具, 通过测定365～430 nm波段的LED光源, 分析得出单光谱波段稳定性及其多波段效果。

针对室内可见光通信(VLC)光链路发射源(LED器件)有限的调制带宽问题, 基于多维无载波幅度相位调制(CAP)技术, 提出一种频带利用率高效的光空间调制方案(OSM-CAP)。OSM-CAP系统将输入信息序列分成两部分, 一部分进行空域映射即空间调制, 其结果用来选择激活的LED; 另一部分进行信号域映射, 即CAP调制。其中, CAP调制采用序列二次规划算法求取的时域正交多维CAP滤波器组实现。对于采用强度调制/直接检测(IM/DD)的VLC系统, 该CAP信号还将进行单极化处理, 文中提出两种相应的解决方案, 即采用添加直流偏置(OSM-DCO/CAP方案)和零值位置极性编码(OSM-U/CAP方案)。基于朗伯体辐射模型, 且可见光背景噪声建模为加性高斯白噪声, 推导了OSM-DCO/CAP、OSM-U/CAP调制方案的误码率理论解, 仿真验证了其准确性。在5 m×5 m×3 m的室内场景下, 探讨了无载波幅度相位调制维度以及接收机个数、发射机间距、收发平面距离以及链路遮挡情况等信道参数对系统性能的影响。结果表明, 星座调制阶数相同时, CAP调制维度越高, 误码性能越好; 接收机个数增多、发射机间距加大以及收发平面距离减小与系统可靠性存在正相关关系; 链路存在遮挡情况时, 会提高信道间的差异性, 改善系统性能。

采用多种光谱法及计算机模拟技术研究了298, 303, 310 K温度下, 头孢他美酯(CFP)与胃蛋白酶(PEP)之间的结合机理。结果表明, CFP主要以非辐射能量转移的静态猝灭方式猝灭PEP的荧光, 两者主要通过静电作用力结合, 其结合率在310 K为74.73%~92.13%。采用同步荧光法和圆二色谱法研究CFP对PEP的反应, 结果表明两者的结合诱导了PEP的构象变化, 使PEP的内源荧光猝灭。采用计算机模拟CFP与PEP的对接, 结果表明CFP结合在PEP的催化活性位点处, 该结论与光谱法所得结果一致。利用CFP对PEP的荧光猝灭反应, 可以实现对实际药品中CFP含量的快速测定。

光谱响应是表征CCD性能的重要参数。为了研究辐射环境对CCD光谱响应产生影响的规律及物理机制, 开展了不同粒子辐照实验, 对CCD光谱响应曲线的退化形式及典型波长下CCD光响应的退化情况进行了分析。辐射效应对CCD光谱响应的影响可以分为电离总剂量效应和位移效应导致的退化, 本文从这两种辐射效应出发, 采用 60Co-γ射线及质子两种辐照条件, 研究了CCD光谱响应的退化规律。针对460 nm(蓝光)和700 nm(红光)等典型CCD光响应波长, 从辐射效应导致的损伤缺陷方面分析了CCD光谱响应退化的物理机制。研究发现, 在 60Co-γ射线辐照时CCD光谱响应曲线变化是由于暗信号增加导致的, 而质子辐照导致CCD对700 nm波长的光响应退化明显大于460 nm波长的光响应, 且10 MeV质子导致的损伤比3 MeV质子更明显, 表明位移损伤缺陷易导致CCD光谱响应退化。结果表明, 电离总剂量效应主要导致CCD光谱响应整体变化, 而位移效应则导致不同波长光的响应差异增大。

为了从分子结构角度找到可以增强类二恶英类多氯联苯(PCBs)的拉曼光谱振动强度的结构变量, 利用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d)水平下对13种类PCBs结构进行优化, 通过分子对接技术提取13种PCBs与联苯双加氧酶(Bpha, PDB∶3GZX)对接后的PCBs分子结构, 并计算了气态环境下对接前后PCBs分子的拉曼光谱振动强度和频率。研究结果表明: 13种PCBs的拉曼振动归属为苯环变形、C—C 伸缩、C—H摇摆、C—H 伸缩以及各种形式的耦合, 其中拉曼光谱频率在1 632.77~1 652.06 cm-1之间的振动最强, 苯环变形为特征振动; 对接后PCBs的二面角大小有明显的改变, 导致拉曼振动强度提高2.9%~213.98%, 频率在1 631.57~1 651.94 cm-1之间的拉曼峰整体发生蓝移, 二面角大小与拉曼振动强度呈现一定程度的线性关系, 随二面角逐渐减小, 拉曼振动增强。实验结果表明, 可通过调整PCBs的二面角大小达到提升PCBs辨识灵敏度的目的, 并为PCBs拉曼光谱检测提供理论依据。