基于喷墨技术的胶体量子点-光学微腔体系构筑原理及相关光电集成问题研究

In this project, we plan to develop a building-up method of quantum dot optical microcavity based on inkjet technology, realize optoelectronic integration by combining with MEMS technology, and try to resolve the bottleneck problem of silicon photonics on laser. Based on our former research results of inkjet technology and silicon photonics, we will use CdSe@ZnS colloidal quantum dot as gain materials, prepare quantum dot optical microcavity and raising the quality factors (lager than four to the power of ten) by optimizing the inkjet and solidification conditions. We plan to realize the electroluminescence and lasing in quantum dot optical microcavity which is integrated on silicon substrate, by optimized integration schematics. During this project, we will obtain the formation mechanism of microcavity, a complete device physical model, optimized design parameters, device preparation and integration technology, and measured data. We try to explore a new way of the research on silicon integrated light sources, and explore the application of inkjet technology for the manufacturing of micro-electro-mechanical systems.

本项目拟发展一种基于喷墨技术的量子点-光学微腔制作方法，同时结合MEMS工艺完成器件的光电集成，尝试解决硅光子学最关键的瓶颈问题——缺乏硅光子激光源的问题。在前期喷墨技术和硅光子学的研究基础上，本项目将以CdSe@ZnS胶体量子点为增益介质，通过喷射和固化条件的优化，制备和提高量子点光学微腔的品质因子(高于十的四次方)；通过优化的光电集成方案，实现硅片上集成量子点光学微腔器件的电致发光和激射。通过本项目的实施获得微腔成型的物理机制、建立完整的器件物理模型、优化的设计参数、器件加工和集成的工艺技术和测试性能指标，为硅光子集成光源的研究探索一条新路，同时拓展喷墨技术在微机电系统集成技术中的应用。

本项目针对硅光子学缺乏硅光子光源的的瓶颈问题，重点发展一种基于喷墨技术的量子点-光学微腔制作方法。通过喷墨条件和固化条件的优化，制备量子点光学微腔。并研究微滴喷射机制和微腔成型的物理机制，本项目成果将为为硅光子集成光源的研究探索一条新路，同时对喷墨技术在光电子集成技术中的应用具有重要意义。. 本项目通过大量实验，研发出一种直接喷射成型基于PMMA材料的微环微腔的喷墨打印墨水和工艺方法，并将CdSe@ZnS量子点及染料分子掺入墨水，实现了CdSe@ZnS量子点-光学微腔和染料分子光学微腔的直接打印制备，并通过自由空间光激发和收集，在红光光谱区域测试得到光学微腔模式。根据AFM数据分析，成型微腔具有高表面光滑度，进一步优化测试方案，可获得高品质（>10的4次方）光发射。该成果属于国际首创，将大大降低微环光学微腔的制造成本。同时，采用喷墨的方法直接制备光学微腔，将大大拓展光子集成的手段，提升集成的便利性和自由度，为后续更深入的研究奠定基础。目前，该成果正在进行数据总结和文章撰写，预计今年发表。. 在微滴喷射机制方面，本项目研究了一种微滴喷射不稳定性测量方法，精确获取喷射过程中每个微滴的速度变化，并通过测试数据提出一种导致微滴喷射不稳的物理模型，最后通过驱动方案的调整，将这种喷射不稳概率，减小了90%。该成果发表在J. Phys. D: Appl. Phys. 52 (2019) 315302。 . 为了实现打印光学微腔的光电集成，本项目还探索了石墨烯导电结构的打印工艺。从喷射机制到打印工艺控制，再到打印线条的电学性能，都进行了系统的研究，实现打印石墨烯电导率269.1 S/m。该成果发表在J. Phys. D: Appl. Phys. 51 (2018) 135302 , 和近期的Ceramics International上。. 本项目还研究了球磨法制备掺杂纳米硅量子点墨水的掺杂机制、化学钝化机制和发光机制，该墨水也可以用于量子点光学微腔的研究。该成果发表在CHIN. PHYS. LETT. Vol. 35, No. 3 (2018) 036801。此外，本项目组前期还研究了将微滴喷入凹形光学微腔的光发射机制，该成果发表在南大学报上。. 本项目还申请相关专利3项，授权1项。培养研究生9人，5人已毕业。