石墨烯表面等离激元耦合的纳米尺度ZnO紫外激光研究

The high spacial localization of metal surface plasma polariton (SPP) inspire ones to break through the diffraction limit to develop novel optoelectronic devices, especially nanosized laser coupling with semiconductors. However, how to drive electrically the devices, how to control the SPP coupling process flexibly,and how to modify the lasing modes, are still in challenge.This project will introduce the unique advantages of graphene into ZnO nanorods to construct an efficient nanocavity. The conductivity and energy band structure of graphene/ZnO will be controlled, and the corresponding SPP will be flexibly modulated through doping, surface assembly, electrical modulation, and metal coopration. we will investigate the coupling and fast response of graphene SPP and ZnO intrinsic emission, reveal purcell effect, enhanced spontaneous and stimulated emission, explore the construction of electrically pumpled nanolaser, and demonstrate the device chracteristics and physical process. The series research will deeply understand the mechanism of the SPP generation,control,optical field confinement, and stimulated emission enhancement at the nanoscaled graphene/semiconductor interface, and will provide significant support for novel optoelectronic nanodevices and applications.

金属表面等离激元（SPP）在空间上高度局域的特性极大地激发了人们对突破衍射极限的光电子器件，特别是与半导体耦合的纳米激光器的研究热情。但如何实现电驱动器件，灵活调控SPP的耦合过程，便利操控激射模式等仍是具有挑战性的问题。本项目拟将石墨烯的SPP耦合到氧化锌纳米棒光场中，并辅以金属的协同作用，灵活设计光场限域的空间结构，构建高效的增益与反馈系统；通过掺杂、表面组装、电学驱动等调控石墨烯的导电特性与能带结构，进而灵活调控其SPP特性；研究石墨烯SPP与ZnO本征发光的耦合与快速响应，揭示纳米尺度下的Purcell效应、自发辐射增强与受激辐射特征；探究电泵浦纳米激光器的构建方法、器件特性及相应的物理过程。本项目的开展将深刻认识纳米尺度下石墨烯/半导体界面的SPP产生与调控、光场限域与激射增强等重要的物理机制，并为新型纳米光电子器件的设计及后续应用提供重要技术参考。

本项目研究过程中，我们紧密围绕计划书拟定的研究内容与目标，对高品质ZnO微腔、Graphene薄膜的优化制备，ZnO/Graphene复合微腔的构建，石墨烯SPP特性及其ZnO紫外发光的耦合过程，亚微米尺度的ZnO/Graphene复合微腔单模激光增强，石墨烯/金属表面等离激元协同增强ZnO回音壁微腔激射，SP辅助的电子转移机理的普适性，ZnO 回音壁模激光调控及ZnO基发光器件与性能提升等进行了深入而系统的研究。相关研究成果已在ACS Nano, ACS Appl. Mater &Interface，ACS Photonics，Nano Research，Nanoscale等国际刊物发表SCI论文38篇, 其中包括J. Mater.Chem.C，Nanoscale期刊封面或封底报道3篇，申请中国发明专利13项。项目执行期间，培养博士后2名（1名已出站），6名博士、10名硕士研究生获得学位。主要的进展与创新成果列举如下： . 1）在成功制备多种高品质ZnO微腔结构基础上，深入研究了Graphene的制备方法、光学特性以及电学特性，实现了多功能Graphene材料的优化制备及导电性能的调控，进一步构建了石墨烯/ZnO复合微腔，对复合微腔中紫外激发、放大、振荡等过程的进行了系统研究。. 2）利用金属表面等离激元共振(SPR)实现了更低阈值及更高品质因子的回音壁模激射，进一步利用石墨烯的高透明性和高导电性能，实现了石墨烯/金属表面等离激元协同增强的ZnO回音壁微腔激射。. 3）利用石墨烯SPP对光场的有效限域及其倏逝波场与ZnO激子发射的耦合效应，改善了亚微米尺度的ZnO/Graphene复合微腔单模激光输出性能。. 4）制备了纯ZnO紫外电致发光的LED器件和高性能紫外光探测器，并结合ZnO微腔回音壁模效应和金属纳米颗粒的局域表面等离激元效应，构建了新型超灵敏SERS基底。