硫化锌/硫化镉低维量子结构的激子-声子耦合及其对发光性质的影响

Exciton-phonon (ex-ph) coupling related with the structure, morphology and size of the material will determine the optoelectronic properties. Quantum confinement and surface effect is more prominent for nanomaterial compared to the bulk material, and the ex-ph coupling shows more optoelectronic properties over than that of bulk material, which will be in favor of preparing high performance of semiconductors. In this project, firstly we will prepare ZnS (CdS) low dimensional nanostructures and ZnS/CdS superlattice, then the optical properties such as optical emission and the ex-ph coupling will be investigated by the PL spectra the resonant micro Raman scattering measurements, and the effects of ex-ph on the structure, defects and doping will be studied in order to find out the main effect which dominates the ex-ph coupling, additionally to obtain the relations of the competition between Fr?hlich potential and deformation potential in ex-ph coupling strength. By systematically studying the ex-ph coupling for low dimensional nanostructures, the relations of ex-ph coupling with the surface effects and quantum confinement effects can be obtained, from those relationships we can explore the mechanism of the electron-phonon coupling and obtain the general law of the ex-ph coupling.

激子-声子耦合效应是决定半导体光电性质，特别是发光性质的关键因素之一，与半导体材料的维度、形貌、尺寸、掺杂等密切相关。由于量子限制效应和表面效应等原因，半导体低维量子结构的激子-声子耦合将展现一些新的物理特征，导致其宏观光电性质发生相应的变化。本申请项目在ZnS、CdS低维量子结构材料可控制备的基础上，通过对其微结构和发光性质的系统研究，结合理论分析，探索不同低维量子结构的激子-声子耦合效应，寻求低维量子结构的维度、形貌、尺寸、掺杂等可控参量与激子-声子耦合的关联规律，确定影响激子-声子耦合的关键因素；同时研究激子-声子耦合中Fr?hlich势与形变势的竞争关系，以及激子-声子耦合对ZnS、CdS低维量子结构发光性质的影响，最终获得对半导体低维量子结构中激子-声子耦合一般性规律的认识，为深入理解半导体发光机理，设计、发展新型的半导体发光材料和器件提供科学依据。

低维半导体材料的结构、形貌和内部缺陷对材料的电学、光学等有较大影响，也直接影响半导体材料在光电探测器及新能源材料中应用。通过研究他们的电子行为和发光性质，可以提高半导体的光电效率。本项目在前期工作的基础上，研究了ZnS及复合纳米结构材料以及氧化物半导体材料的光电性质。具体有①通过掺有不同浓度的Al含量调控生长了形貌和尺寸不同的ZnS准一维纳米结构材料，研究掺杂、形貌和尺寸对激子-声子耦合的影响。结果给出：尺寸和形貌对拉曼散射影响较大，掺杂影响较小；枝状的纳米带比普通纳米带的拉曼散射强度大8倍，这种增强来源于多次散射和弱的激子-声子耦合。②低维结构材料的表面缺陷是如何影响d0铁磁性，有人认为来源于阴离子空位，也有报道是阳离子空位。首先，我们制备了锌原子和硫的原子比分别为0.966和1.32 的微球，其中每个微球的尺寸为3-5微米并由厚度为20-30纳米的薄片组成，然后通过SQUID测量给出他们的饱和磁矩分别为3.66和1.566 memu/g。由此给出弱铁磁性来源于Zn空位（阳离子空位），该结果也通过密度泛函理论对自旋态密度的计算得到了验证。③电子在氧化物半导体及复合材料界面处的电子传输行为的研究。通过对ZnO/ZnS 核壳结构，ZnO纳米球及其金修饰，以及在FTO衬底上生长的具有微结构的SnO2, Sn3O4，CuO薄膜材料并研究他们的光电化学性质研究，得到电子在半导体异质界面的传输过程、半导体固/液界面的电化学过程。将在FTO衬底上制备的垂直排列的CuO纳米片，用于光电化学电池的阴极材料，在可见光区域显示出增强的光电流，即在0V电压下光电流达到108 μA；将在碳纸上垂直生长的Sn3O4纳米片作为光阳极材料，在0V电压可见光下光电流为~100μA。分析给出增强的光电流归结为垂直生长的半导体材料与导电衬底间形成良好的电子传输通道，并且片状结构可增加光的多次反射和吸收，增加光生载流子，垂直生长的纳米片可与电解液间有良好接触，增加染料分子的吸附，使得半导体材料有增强的光生电流和较快的光电流响应时间。利用这些原理，项目组对光催化、敏化太阳能电池和光解水等进行了研究。由于可见光占有太阳能的40%，这些研究可为太阳能电池材料的利用提供参考。