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MgZnO合金材料及其异质结构的制备和光学性质研究

作　者: 吴春霞
导　师: 申德振；吕有明
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 凝聚态物理
关键词: 等离子体辅助分子束外延 Mgxzn1-xO合金薄膜 ZnO基异质结构 光致发光谱 超辐射
分类号: O482.3
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


近几年，ZnO基半导体材料作为紫外光电子应用方面有前途的候选材料而成为光电子领域研究的热点。要获得高性能光发射器件，关键技术之一就是建立异质结构，将光电器件中的光子和电子限制在阱层内，实现低阈值的受激发射。而ZnMgO合金薄膜被公认是制备ZnO基紫外激光器件适宜的势垒材料，因为Mg2+可以在一定范围内取代ZnO中Zn2+格位，形成保持纤锌矿结构不变的MgZnO合金并使带隙展宽。为了更好的设计和构造器件结构，详尽的了解MgZnO合金和MgZnO／ZnO异质结构的基本性质是十分必要的。 本论文利用等离子体辅助的分子束外延设备制备了MgxZn1-xO合金和MgZnO／ZnO异质结构材料，开展了结构和光学性质的研究，并探讨了MgZnO／ZnO单量子阱的超辐射机制。具体研究内容如下： 1．我们利用等离子辅助分子束外延（P-MBE）的方法，在蓝宝石c-平面上外延生长了MgxZn1-xO合金薄膜。在x≤0.28，我们得到了六角纤锌矿结构MgxZn1-xO合金薄膜。在0≤x≤0.65范围内MgxZn1-xO薄膜完成了从六角纤锌矿向立方相结构的转变。开展了不同Mg组分的MgxZn1-xO（0≤x≤0.65）合金薄膜的相转换对吸收、光致发光以及共振拉曼光谱影响的研究。 2．通过原位反射式高能电子衍射仪，X射线摇摆曲线测试表明六角纤锌矿结构的MgxZn1-xO（0≤x≤0.2）为单晶薄膜。在典型六角纤锌矿结构的合金薄膜中获得了室温下强的紫外发光，并通过变温光谱详细的研究了这个紫外发光的机制，将其归结为自由激子的发射。 3．制备了具有不同阱宽的Mg0.12Zn0.88O／ZnO单量子阱结构。随着阱宽的减少，来自ZnO层的发光峰出现明显的蓝移被认为是由量子限阈效应引起的。在异质结样品中观察到了载流子从Mg0.12Zn0.88O盖层向ZnO层注入的过程，这归结为样品中存在着与界面态相关的局域激子。由时间衰减曲线和时间分辨光谱证明界面效应对载流子注入的影响随着阱宽的减小而减小。 4．研究了典型Mg0.12Zn0.88O／ZnO单量子阱样品（L=1.5nm）的激子特性，计算获得其激子束缚能为70.8meV这是由量子限阈效应引起的。在高激发密度下，在5K时观察到了样品的超辐射过程，这被归结为来自于激子-激子碰撞的P带发射。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
1.引言  7-24
  1.1.当前ZnO基材料在相关领域的地位  7-10
  1.1 ZnO基材料研究的历史和现状  10-11
  1.2 MgZnO合金材料的物理性质和研究进展  11-18
    1.2.1 MgZnO合金材料的物理性质  12-15
    1.2.2 MgZnO合金的研究进展  15-18
  1.3 半导体量子阱及MgZnO/ZnO量子阱的研究进展  18-21
    1.3.1 量子阱的概念和基本性质  19
    1.3.2 ZnO基量子阱的研究意义和进展  19-21
  参考文献  21-24
2.实验设备及常用表征手段  24-40
  2.1 实验设备  24-30
    2.1.1 分子束外延(MBE)  24-26
    2.1.2 V80H双生长室分子束外延设备及其改造  26-29
    2.1.3 等离子辅助分子束外(P-MBE)  29-30
  2.2 常用表征手段  30-39
    2.2.1 X射线衍射(XRD)  30-31
    2.2.2 反射式高能电子衍射(RHEED)  31-32
    2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)  32-33
    2.2.4 原子力显微镜(AFM)  33-35
    2.2.5 X射线光电子能谱(XPS)  35-36
    2.2.6 拉曼光谱  36-37
    2.2.7 微区光致发光谱(PL)  37-38
    2.2.8 透射-吸收谱  38-39
  2.3 本章小结  39
  参考文献  39-40
3.MgZnO合金薄膜的制备和表征  40-57
  3.1 MgZnO合金的分子束外延生长  40-45
    3.1.1 高质量ZnO的获得  41-42
    3.1.2 Ⅱ-Ⅵ族元素化学剂量比和生长温度对合金生长的影响  42-45
  3.2 Mg浓度对Mg_xZn_(1-x)O合金结构的影响  45-48
  3.3 合金薄膜的相结构对光学性质的影响  48-54
    3.3.1 不同相结构的Mg_xZn_(1-x)O合金的吸收和光致发光谱  48-51
    3.3.2 Mg浓度对共振拉曼光谱的影响  51-54
  3.4 本章小结  54
  参考文献  54-57
4.纤锌矿Mg_xZn_(1-x)O的结构和光学性质  57-69
  4.1 纤锌矿Mg_xZn_(1-x)O合金的结构表征  57-61
  4.2 纤锌矿Mg_xZn_(1-x)O合金薄膜的光学特性  61-66
    4.2.1 室温光致发光和透射谱  61-63
    4.2.2 Mg_(0.12)Zn_(0.88)O合金的紫外发光来源  63-66
  4.3 本章小结  66-67
  参考文献  67-69
5.MgZnO/ZnO量子阱制备和光学性质  69-82
  5.1 Mg_(0.12)Zn_(0.88)O/ZnO/Mg_(0.12)Zn_(0.88)O的结构和光学性质  69-74
    5.1.1 样品的制备  69-70
    5.1.2 样品的结构表征  70-72
    5.1.3 样品的光学性质研究  72-74
  5.2 Mg_(0.12)Zn_(0.88)O/ZnO单量子阱样品的阱宽对光学性质的影响  74-80
    5.2.1 单量子阱样品的光致发光研究  75-77
    5.2.2 界面效应对阱层发光的影响  77-80
  5.3 本章小结  80-81
  参考文献  81-82
6.单量子阱的超辐射过程研究  82-99
  6.1 受激发射原理及产生条件  82-87
  6.2 ZnO基材料的受激发射机制  87-92
    6.2.1 ZnO薄膜的受激发射的研究进展  88-90
    6.2.2 ZnO/MgZnO量子阱受激发射的研究现状  90-92
  6.3 量子阱样品的超辐射过程研究  92-96
  6.4 本章小结  96-97
  参考文献  97-99
7.结论  99-100
作者简介  100
攻读博士学位期间承担的主要工作及成果  100
已发表文章和将发表文章目录  100-102
致谢  102-103

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体性质 > 光学性质
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