氧化锌纳米材料中局域化激子的形成机理与动力学研究

As a material with wide direct bandgap and large exciton binding energy, ZnO is recognized as one of the most excellent semiconductors, which shows great application potentials in ultraviolet excitonic devices. However, due to the large surface-to-volume ratio, ZnO nanowires always possess many surface defects, which highly limit their optical performance. The research to be carried out herein will focus on the formation of localized state inside the surface-treated ZnO nanowire and investigate their excitonic dynamics based on laser spectroscopy. Here are the detailed research contents: (1) introduce localized exciton states into the as-grown ZnO nanowires by the ion beam milling technique and the surface material covering approach; (2) investigate the formation of localized exciton states under different surface passivation conditions, such as the energy of ion beams, milling time, different types and thickness of the covering materials; (3) take advantage of the localized excitons and extend their potential applications to microlasers, light-emitting diode and photo-detector. This project aims to explore the impact on the optical properties of ZnO nanowires due to surface modification, which will provide theoretical support for effective understanding of the formation and properties of localized states inside low-dimensional materials and have technical guidance for the development of high-performance excitonic devices.

ZnO是一种优异的直接带隙宽禁带半导体材料，其纳米结构在紫外激子器件等领域拥有广阔的应用前景。然而，由于低维纳米材料大的比表面，ZnO纳米材料存在许多表面缺陷，大大降低了其紫外光学性能。本项目以提高ZnO纳米材料的发光效率为目标，利用表面处理技术将激子的局域态引入到ZnO纳米线中，并讨论分析其形成机理与动力学过程。具体研究内容包括：利用离子束辐照和表面包覆手段在ZnO纳米线中引入局域态；阐明局域态在不同的表面处理条件如离子束的能量、辐照时间以及包覆材料的类型与厚度等的形成规律；分析材料中局域化激子的动力学过程，并将其延伸到微纳激光器、发光二极管或光电探测器等方面的应用。本项目旨在探索表面修饰对ZnO纳米线光学性质的影响，为有效了解低维纳米材料中局域态的形成与特性，以及高性能激子器件的研制提供理论支持和技术指导。

氧化锌（ZnO）半导体材料的发展对紫外激子器件的应用具有重要意义。然而，随着半导体材料维度的减小，表面态严重影响了 ZnO 纳米材料的激子发光效率，成为制约其性能提高的关键问题之一。本项目中，我们设计并开展了多种表面处理方法，在ZnO纳米材料中局域态的形成、局域化激子的动力学与实际应用等方面取得了一系列的成果：理论方面，通过物理模型的建立，在理论上对宽禁带半导体中载流子局域态的关键物理参数，如能级深度、载流子的热逃逸及复合速率等有了系统的了解。表面处理方面，通过异质材料的包覆（如宽禁带半导体ZnS）修饰ZnO纳米线，基于材料的光学特性研究，详细讨论材料内部局域载流子的产生和相关的光学特性；通过离子束辐照（如氩离子束）对ZnO纳米线的表面进行处理，研究表面态对ZnO纳米线光学性质的影响，分析内在物理机制。器件方面，我们探索ZnO纳米材料中局域化激子的应用，开展了光电探测器、发光二极管和微纳激光器等光电器件的应用。在国家自然科学基金的支持和推动下，我们在探索表面修饰对ZnO纳米线光学性质方面取得了较为丰硕的成果。同时，该基金也为我们提供了施展才华的舞台，成为我们实习研究员成长的重要支持，有效的提升了他们自主创新的能力，使他们对于宽禁带半导体中的局域态光学性质及其应用有了较为深刻的理解。我们在项目执行期内多次参加国内学术会议并做邀请报告来宣传我们的研究成果，引起国内外众多专家的兴趣。本项目的成功实施为低维纳米材料光学性能的调控和光电器件性能的提高提供新的方法和技术支持。