《低维量子材料与器件》

具有独特物理性质的量子点结构,不但在基础物理研究方面意义重大,而且在新型量子器件等方面显示出广阔的应用前景,近年来一直为半导体物理研究中的热点。该项目主要开展了InP基InAs/InP量子点激光器、GaAs基InAs/GaAs量子点激光器、量子点外腔激光器、碳纳米颗粒制备及白光转换应用以及低维半导体结构中的电子态等方面的研究。项目取得了具有国际影响力的创新性研究成果,在Applied Physics Letters、Materials Letters、Journal of Applied Physics等国际重要期刊发表SCI收录论文40篇。所提供的8篇代表性论文中5篇为JCR一区,2篇为JCR二区,1篇为JCR三区,被SCI他引96次。该研究促进了InAs/InP量子点激光器件在光纤通信领域的应用,受到了国内外同行的广泛关注和高度评价。该项目取得的重要成果包括:

一、成功研制了高质量InAs/InP量子点激光器。

利用气态源分子束外延(GSMBE)在InP(100)衬底上生长了密度高的InAs量子点材料,成功制备了高质量的GaAs基和InP基InAs量子点激光器。在连续波工作模式下,室温下InAs/GaAs量子点激光器的发射波长在1.10微米附近,InAs/InP量子点激光器的发射波长在1.54-1.70微米。在20℃下,InAs/GaAs量子点激光器的单面最大输出功率超过50mW,InAs/InP量子点激光器的单面最大输出功率达到30mW,量子点激光器的性能达到了国际先进水平。

二、成功研制了国际先进的量子点外腔激光器。

开展了研制高性能可调谐外腔InAs/InP量子点激光器的研究,获得了在1.5微米波段的宽调谐高性能InAs/InP量子点外腔激光器,首次实现了室温条件下直流电流模式工作的可调谐外腔InAs/InP量子点激光器。对可调谐外腔InAs/InP量子点激光器的性能进行了表征,主要包括外腔激光器的调谐范围和阈值电流密度,基于两个器件的外腔激光器的调谐范围可达73nm(1557-1630nm)和104nm(1608-1712nm)。

三、成功制备出高发光性能的碳纳米颗粒,在紫外光激发下可形成白光发射。

开展了碳纳米颗粒制备及白光转换应用方面的研究,利用不同的前驱体材料制备出了较高发光性能的碳纳米颗粒,并在紫外光激发下实现了白光发射。

四、系统研究了低维半导体结构中的电子态。

在有效质量包络函数理论下应用平面波展开方法和变分法系统研究了低维半导体结构(量子阱、量子线、量子点)中的电子态,并讨论了电场和磁场对它们的影响。

科学价值:

在InP衬底上生长InAs自组装量子点制作量子器件可以与InP基片上其它器件集成,在光纤通信中有重要应用前景,引起人们的广泛关注。研制的高性能InAs/InP量子点激光器,将为InAs/InP量子点结构在1.55微米光纤通信领域的应用奠定良好的基础。宽调谐半导体外腔激光器是一种广泛应用于用于高速光纤通信、高分辨率光谱分析、计量检测、生物医学、环境监测、分子/原子光谱等研究领域的高质量光源。课题组研制的InAs/InP量子点外腔激光器和传统的量子阱激光器相比在外腔激光器的应用上有两大优势,一是波长调谐范围成倍提高,二是在大范围调谐下工作阈值电流成倍降低。制备的氮掺杂碳纳米颗粒涂在不同波长紫外LED表面,都可以实现可见光输出,合适的涂层厚度在紫外光激发下可实现白光输出,在荧光灯或白光LED方面有巨大应用潜力。

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