可调谐发光颜色的上转换荧光纳米粒子具有广阔的应用前景。本文设计并成功合成了结构紧凑的多层核-壳纳米颗粒。在不同波段激光的泵浦下, 该颗粒中不同壳层分别产生红、绿、蓝3种颜色的上转换荧光。光谱测试结果表明, 样品三基色发光的颜色纯度较好, 并且可以实现全色域的颜色实时调节。此外, 还测试了样品发光强度与泵浦功率之间的依赖关系, 用于研究其中的上转换发光机理。这种在单颗粒水平上具有全色域可调发光的紧凑核-壳结构纳米晶体在多通道生物检测及成像、超高分辨率显示器件、高端防伪应用等领域显示出巨大的潜力。

金属氧化物薄膜晶体管(TFT)属于耗尽型器件, 其集成的TFT的行驱动电路一般采用双负电源方案, 存在与外围驱动芯片的匹配困难和功耗较大的不足。本文设计了一种新型耦合电路结构, 可以产生比负电源更低的电压从而完全关闭输出模块的下拉晶体管, 防止氧化物TFT耗尽模式引起的电流泄露问题, 并由此设计了新型氧化物TFT行驱动电路拓扑。由于只采用一个负电源, 其电源电压范围比采用双负电源方案的小, 从而节省了功耗且有利于与外围驱动芯片的匹配连接。实验结果表明, 基于刻蚀阻挡层(ESL)结构的氧化物TFT工艺, 在玻璃衬底上成功制备了该行驱动电路, 在电阻负载RL=3 kΩ和容性负载CL=30 pF下, 所设计的行驱动电路在33.3 kHz时钟频率下实现脉宽10 μs的全摆幅输出, 每级功耗仅为160 μW。基于新型耦合电路结构的行驱动电路能够满足60 Hz的刷新频率的1 980×1 080分辨率的显示需求。

本文研究了硅片狭缝内水分子蒸发过程中的红外光谱吸收特性。通过改变相对于硅片狭缝的红外光偏振方向(水平: 偏振方向与硅片狭缝方向平行; 垂直: 偏振方向与硅片狭缝方向垂直), 测量了水分子在3 900~3 600 cm-1(伸缩振动)和1 800~1 400 cm-1(弯曲振动)的偏振红外光吸收。结果表明,经硅片间隙蒸发出来的水分子, 在3 900~3 600 cm-1(伸缩振动)和1 800~1 400 cm-1(弯曲振动)区间, 对垂直偏振光吸收较强, 对水平偏振光吸收较弱, 表明毛细效应导致蒸发的水分子偶极矩方向倾向于硅片狭缝的法线方向。

以聚乙二醇为络合剂, 采用水热法制备了发光性能优越的Yb3+-Tm3+共掺BaGd2(WO4)0.5(MoO4)0.5纳米晶体。改变稀土掺杂量并生产不同掺杂量的BaGd2(WO4)0.5(MoO4)0.5∶Yb3+/Tm3+。以X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对样品进行表征。结果表明, BaGd2(WO4)0.5-(MoO4)0.5∶Yb3+/Tm3+纳米晶属四方晶系, 粒径在25~40 nm之间, 使用Hitachi f-4500分光光度计分析样品,发现当Yb3+/Tm3+为4∶1、Yb3+离子浓度为6.0%时, BaGd2(WO4)0.5(MoO4)0.5∶Yb3+/Tm3+的发光效率最高。当Tm3+离子发生1G4→3H6跃迁时会产生可见光发射, 对应于光谱图中475 nm处的蓝光; 当Tm3+离子发生1G4→3F4跃迁时产生的可见光发射, 对应于光谱图中650 nm处的红光。光谱图像及泵浦功率的双对数曲线表明, 其中蓝光发射是三光子发射过程, 红光发射是双光子发射过程。样品的量子产率接近0.9%。Yb3+-Tm3+共掺BaGd2(WO4)0.5(MoO4)0.5纳米晶体的发光性能优异, 具有很高的应用价值。

采用微波加热固相法合成了Mg2+、Zn2+掺杂CaWO4∶Eu3+荧光粉。利用XRD对样品的晶体结构进行表征, 通过荧光分光光度仪对样品的激发光谱、发射光谱和能级寿命进行检测和分析。结果表明, Mg2+、Zn2+、Eu3+掺杂CaWO4不影响CaWO4基质的四方晶相。395 nm激发下, 与CaWO4∶2%Eu3+样品比较, 分别掺杂0.5%的Mg2+或Zn2+的样品发光强度提高了1.3倍和2.1倍; 与3%Mg2+或3%Zn2+掺杂CaWO4∶2%Eu3粉体发光比较, 当Eu3+浓度增加为3%时, 粉体的发光强度分别提高了7.3倍和14.8倍; 与CaWO4∶3%Eu3+样品比较, 3%的Mg2+或Zn2+掺杂后的样品光强分别提高了1.2倍和1.3倍。262 nm比395 nm激发同一样品的Eu3+的5D0能级寿命有所增加。与单掺2%Eu3+样品比较, 随着Mg2+或Zn2+掺杂浓度增加, 样品荧光寿命先增加后减小。同样激发波长下, 与Mg2+或Zn2+掺杂CaWO4∶2%Eu3+样品荧光寿命相比, Eu3+浓度增加为3%时, 样品的荧光寿命明显变短。

为了制备氮-磷共掺杂石墨烯量子点(N,P-GQDs)以探索其荧光性质的可调性, 我们采用水热法以柠檬酸为碳源, 六氯三聚磷腈为氮源、磷源, 制备出了蓝色光致发光的氮-磷共掺杂石墨烯量子点(N,P-GQDs)。通过一些测试表征可以发现: 制备的N,P-GQDs尺寸分布均匀, 其横向平均尺寸约4.8 nm, 晶格间距为0.24 nm, 纵向平均厚度约0.95 nm。在光学性能测试中, 观察到N,P-GQDs的荧光发射光谱对激发波长具有强的依赖性, 其对可见光表现为较强的吸收性。通过量子产率公式计算得出N,P-GQDs的量子产率为10.4%。所制备出的N,P-GQDs具有优异的抗漂白能力及光学稳定性。通过调节样品的稀释浓度比例对N,P-GQDs的荧光性质的可调性进行研究, 发现随着稀释倍数的增加, 荧光强度先增加后下降。此外, 发现制备的N,P-GQDs对Fe3+产生强烈的复合作用, 使N,P-GQDs荧光猝灭, 由此建立了Fe3+的传感分析方法。

采用基于密度泛函理论的赝势平面波第一性原理方法, 理论研究了不同计量Ta掺入ZnNb2O6材料的光电特性。通过对ZnNb2-xTaxO6 (x=0～2.0)材料键结构和态密度的计算, 并结合带间电子跃迁分析了材料的介电函数、折射率、反射率以及吸收系数。计算结果显示: (1)ZnNb2-xTaxO6 (x=0～2.0)为间接半导体, 带隙随着Ta原子的掺入呈下降趋势(x=0, Eg=3.51 eV;x=2, Eg=2.916 eV), 随着Ta掺入量的增加导带顶逐渐移向费米面。态密度主要由O 2p、Zn 3d、Nb 4d、Ta 5d 轨道组成; (2)ZnNb2-xTaxO6 (x=0～2.0)价电子态呈现为非对称, 具有很强的局域性, 对材料整体的电子结构和键特性有重要的影响; (3)介电函数的计算表明, ZnNb2-xTaxO6 (x=0～2.0)材料各向异性, 最大吸收峰在3.02×105 cm-1附近, 消光系数在带边表现出较强的吸收特性, 进一步以带结构和态密度为出发点, 探讨了电子带间跃迁的光电机理。该结果为研制高性能光电器件用新型功能材料提供了理论依据。

围绕高性能GaN基垂直腔面发射激光器(VCSELs), 设计了两种具有不同光电耦合强度的InGaN/GaN量子阱(QWs)样品, 研究了它们的光学性质。样品A在腔模的两个波腹处各放置两个InGaN耦合量子阱, 而样品B在腔模的一个波腹处放置5个InGaN耦合量子阱。计算表明样品A具有较大的相对光限制因子1.79, 而样品B为1.47。光学测试发现样品A有着更高的内量子效率(IQE)和更高的辐射复合效率。使用两种样品制作了光泵VCSEL结构, 在光激发下实现激射, 其中基于样品A的VCSEL有着更低的激射阈值。结果表明有源区结构会显著影响量子阱与光场的耦合作用、外延片的内量子效率、辐射复合寿命和VCSEL激射阈值, 同时也说明样品A的有源区结构更有利于制作低阈值的VCSEL器件。

提出了一种基于环形芯铒离子部分掺杂光纤的涡旋光纤放大器。针对该掺铒光纤的放大特性, 研究了光纤长度、掺铒浓度与抽运功率对信号模式增益特性的影响。研究结果表明, 该光纤放大器能够支持22个轨道角动量模式稳定传输, 且C波段(1 530～1 565 nm)所有信号模式增益大于23 dB, 信噪比高于27 dB, 差分模式增益小于0.015 dB。所提出的基于环形芯光纤的涡旋光纤放大器具有支持轨道角动量模式数量多、差分模式增益低、信噪比高的优势, 对于OAM复用长距离传输系统中的在线放大具有重要参考价值。

采用水热法制备了石墨烯量子点(GQDs)可饱和吸收体(SA)。对GQDs SA的光学特性进行表征, 估算出其调制深度为6.9%。将GQDs作为SA应用于二极管端面泵浦Nd∶YVO4激光器, 实现了1 063.5 nm处的被动调Q激光输出。在吸收泵浦功率为9.12 W时, 输出脉冲的重复频率为1.64 MHz, 脉冲宽度为 200 ns, 对应的脉冲能量为0.51 μJ, 峰值功率为2.5 W。

设计制作了SU-8光栅结构的染料掺杂手性向列相液晶激光器件, 在器件正面和侧面均实现了随机激光辐射。将激光染料PM597、手性剂S-811、向列性液晶TEB30A按一定比例均匀混合, 注入反平行摩擦处理的液晶盒中, 器件的下基板通过光掩模法刻蚀出周期为15 μm的光栅。利用532 nm的Nd∶YAG固体脉冲激光器作为泵浦源, 器件的侧面既在580~590 nm范围内出现了多个离散分立的随机激光辐射峰, FWHM约0.19 nm, 又在579~585 nm范围内出现独立的两个激光辐射峰, FWHM约0.19 nm; 在器件正面获得了584~590 nm范围的随机激光辐射谱, FWHM约0.17 nm。加热器件至61 ℃, 液晶相变为各向同性态, 器件侧面仍出现了波长约590.60 nm、FWHM约0.24 nm的激光辐射峰。分析得出, 液晶盒中引入SU-8光栅结构后, 光子同时在液晶分子间多重散射和SU-8光栅中布拉格反射获得反馈放大, 两种机制相辅相成。器件侧面出现的独立激光辐射峰主要由SU-8光栅布拉格反射提供反馈放大形成, 而器件侧面和正面的随机激光辐射峰主要由液晶分子间多重散射提供反馈放大形成。

为了提高以TADF材料作为主体、天蓝色荧光材料作为客体的混合薄膜的OLED器件光电性能, 我们调整了器件结构, 使主体材料发挥其优势。制备了基本结构为ITO/NPB(40 nm)/DMAC-DPS∶x%BUBD-1(40 nm)/Bphen(30 nm)/LiF(0.5 nm)/Al的OLED器件。研究了主-客体材料在不同掺杂浓度下的OLED器件的光电特性。为了提高主体材料的利用率, 在空穴传输层和发光层之间加入10 nm的DMAC-DPS作为间隔层; 然后, 在阳极和空穴传输层之间加入HAT-CN作为空穴注入层, 形成HAT-CN/NPB结构的PN结, 有效降低了器件的启亮电压(2.7 V)。测量了有无HAT-CN的单空穴器件的阻抗谱。结果表明, 在最佳掺杂比例(2%)下, 器件的外量子效率(EQE)达到4.92%, 接近荧光OLED的EQE理论极限值; 加入10 nm的DMAC-DPS作为间隔层, 使得器件的EQE达到5.37%; HAT-CN/NPB结构的PN结有效地降低了器件的启亮电压(2.7 V), 将OLED器件的EQE提高到5.76%; HAT-CN的加入提高了器件的空穴迁移率, 降低了单空穴器件的阻抗。TADF材料作为主体材料在提高OLED器件的光电性能方面具有很大的潜力。

为了能制备高均匀性、大尺寸高清RGB-OLED显示终端, 发展了一种全新的、无掩膜低成本的彩色薄膜沉积技术——薄膜晶体管导向的薄膜沉积技术, 并研究了薄膜晶体管的宽长比及栅压对电聚合发光薄膜性能的影响, 寻找最佳的制备条件。实验中采用像素尺寸大小为200 μm×200 μm的AMOLED基板, 通过TFT来控制发光薄膜在ITO像素上的电化学聚合过程。首先对不同宽长比的TFT性能进行表征, 再对不同宽长比的TFT在不同栅压条件下制备的电化学聚合薄膜进行表征和分析。实验结果表明, 在同一宽长比的TFT控制下, 施加栅压越大,制备的薄膜越厚, 发光效果越好; 在不同宽长比的TFT控制下, 宽长比越大, 聚合薄膜越厚, 发光效果越好。在较大栅压下, 选择宽长比为50 μm/10 μm的TFT最为适宜。研究结果为电化学聚合技术在AMOLED显示中的应用奠定了良好基础。

开发新型有机红光材料对于制备高性能红光有机电致发光器件具有重要的研究意义。本文采用SUZUKI偶联反应, 以芴酮为受体(A)、3,4,5-三甲氧基苯为给体(D)合成了新型D-π-A-π-D结构的有机红光材料(3MeFO)。通过1H NMR谱、13C NMR谱和X单晶衍射确认了分子结构, 该化合物展示了较强的电荷转移作用和良好的共轭结构, 其晶体的发射峰达到620 nm。从单晶结构中看出甲氧基的引入有利于在分子间形成大量的氢键, 有效地增强了分子间的相互作用。同时, 该材料表现出良好的热稳定性能和电化学性能, 使得其在OLED中展示了良好的电致发光性能。

由于依靠不断缩小存储单元尺寸来提升单位面积存储能力的传统方法将会面临着器件尺寸的物理极限等瓶颈, 人们逐渐将目光投向了能够在单一器件上实现高密度存储的多级存储器件。本文利用有机薄膜晶体管中存在的持续光电导率(PPC)效应制备了一个光写入操作的多级存储器件, 有效地避免了电写入操作对器件的接触破坏性和较大功耗问题。研究了在不同功率(60, 100,150 μW/cm2)和不同持续时间(50~1 000 ms)700 nm光写入脉冲作用下的器件存储状态, 器件在光功率为60 μW/cm2、持续时间为100 ms的光脉冲下展现出了低至0.189 nJ的极低工作功耗。通过对器件施加16个连续光写入脉冲证实器件具有16个有效的存储状态, 实现了存储容量为4 bits的多级光写入存储功能。