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一维IB和IIIA族金属掺杂ZnO微纳材料多光子吸收和载流子超快动力学过程的研究
结题报告
批准号:
11504072
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
姚成宝
依托单位:
学科分类:
A2203.光场调控与非线性光学
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘晓杰、白丽娜、闫筱炎、谭明月
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中文摘要
一维金属掺杂ZnO 半导体微纳材料的结构、形貌和掺杂元素及剂量对其三阶非线性极化率和时间响应等非线性光学性质具有重要影响。本项目基于化学气相沉积技术,设计并制备不同形貌和剂量的一维IB和IIIA族金属掺杂ZnO半导体微纳材料。拟采用Z-扫描和泵浦探测技术,针对其在超快脉冲激光作用下的多光子吸收和载流子超快动力学过程进行研究;分析结构、形貌和掺杂元素及剂量对其非线性光学性质,及其光开关和光限幅应用性能的影响;建立超快激光激发下载流子弛豫能级模型,采用速率方程对材料多光子吸收和超快载流子动力学特性进行分析。可望在理论与实验上揭示材料多光子吸收和载流子超快动力学过程的物理机制,阐明结构和组分与材料非线性光学性质的依赖关系。本项目将为调控与改善金属掺杂ZnO半导体微纳材料的非线性光学性能提供理论依据和指导,为其在光电器件中应用奠定理论和实验基础。
英文摘要
The structure, morphology, and doped elements and dose of 1D metal doped ZnO semiconductor micro/nano-material imposed the significant effect on its third-order nonlinear susceptibility and response time. This project aims to design the IB and IIIA metal doped ZnO semiconductor micro/nano-material with different morphology and dose based on chemical vapor deposition technology. In this project, the multi-photon absorption and ultrafast carrier dynamics under ultrafast pulses laser will be studied and revealed by using Z-scan and pump detection technology; the effect of the material structure, morphology, doping elements and doses on nonlinear optical characteristics, as well as the application performance of the optical switch and limiter will be analyzed; the carrier relaxation energy level model of ultrafast laser excitation will be found. The multi-photon absorption and ultrafast exciton dynamics characteristics of the materials are analyzed by using rate equations. The physical mechanism of the multiphoton absorption and ultrafast carrier dynamics of materials will be desired to reveal in theory and experiment. The dependence between the nonlinear optical properties of materials and the structures and components will be clarified. This project will provide a theoretical basis and guidance for manipulation and improvement of the nonlinear optical properties of metal doped ZnO semiconductor micro/nano-material, and lay a theoretical and experimental basis for its application in optoelectronic devices.
近年来,随着非线性光学的发展,对非线性光学材料的研究取得了巨大的进步。其中,被称为“万能材料”的ZnO材料凭借其独特自身优势以及在微纳米材料方面多种形貌的纳米结构,在制备纳米传感器件、光电器件和探测器件等方面具有很多实际应用价值,引起了人们浓厚的研究兴趣。为了极大的拓展ZnO纳米材料的应用领域,可以通过用不同元素金属掺杂或修饰来优化和控制ZnO纳米材料的光学、电学、光电化学等方面的性能。本课题以IB(Ag和Cu)和IIIA(In和Al)族金属掺杂和修饰ZnO微纳结构材料为研究对象;采用化学气相沉积技术分别设计并制备了一维MZO材料,采用化学气相沉积和磁控溅射技术相结合获得M@ZnO纳米材料,以及采用磁控溅射技术获得MZO纳米薄膜材料。利用X射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、能谱(EDS)、Z-扫描技术等一系列的表征手段和测试方法,系统地研究了材料的结构、形貌特征与实验条件的依赖关系,以及材料的光学特性及物-性关系。着重研究了在超快脉冲激光作用下,材料表现出来的非线性光学特性和载流子超快动力学过程;对材料的光克尔效应和在光限幅,场发射和光电化学中的应用性能进行实验研究;建立超快激光激发下载流子弛豫能级模型,理论分析材料的特性和性能的物理机制和机理。主要取得成果如下:.首先,基于化学气相沉积技术设计并制备了一维IB和IIIA族金属掺杂ZnO(MZO)纳米材料(其中M=Ag,In和Al),并通过利用磁控溅射技术以及与化学气相沉积方法结合获得了金属掺杂(Ag,Cu) (M-ZnO)和金属(Ag,Cu)修饰ZnO(M@ZnO)基微纳米材料。研究了金属与ZnO复合异质纳米材料与实验条件的依赖关系。同时,课题组对大量的材料体系的进行了探索,对不同条件下的复合材料结构和性质进行了深入、细致的研究。基于第一性原理对一维MZO材料结构的模拟研究,确定不同掺杂元素及特征对性能的影响。.其次,利用纳秒,皮秒和飞秒Z-扫描技术,测量不同种类MZO纳米结构材料的非线性吸收系数。深入研究了材料的多光子吸收和载流子超快动力学,并分析了结构、形貌和掺杂元素及剂量对其非线性光学性质。并建立了超快激光激发下载流子弛豫能级模型,采用速率方程对材料多光子吸收和超快载流子动力学特性进行分析。揭示了材料多光子吸收和包括激发态吸收、漂白、表面复合等载流子超快动力学过程的物理机制。证明在纳秒,皮秒
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Ultrafast carrier dynamics and third order nonlinear optical properties of aluminum doped zinc oxide (AZO) thin films
铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜的超快载流子动力学和三阶非线性光学特性
DOI:10.1016/j.optmat.2017.03.009
发表时间:2017-04-01
期刊:OPTICAL MATERIALS
影响因子:3.9
作者:Htwe, Zin Maung;Zhang, Yun-Dong;Yuan, Ping
通讯作者:Yuan, Ping
DOI:10.1039/c6ra04034a
发表时间:2016-01-01
期刊:RSC ADVANCES
影响因子:3.9
作者:Bai, Lina;Yin, Haitao;Zhang, Xitian
通讯作者:Zhang, Xitian
Spin filtering in transition-metal phthalocyanine molecules from first principles
根据第一原理对过渡金属酞菁分子进行旋转过滤
DOI:10.1007/s11467-017-0671-0
发表时间:2017-02
期刊:Front. Phys
影响因子:--
作者:Li Niu;Huan Wang;Lina Bai;Ximing Rong;Xiaojie Liu;Hua Li;Haitao Yin
通讯作者:Haitao Yin
DOI:10.1016/j.cplett.2018.03.018
发表时间:2018-04
期刊:Chemical Physics Letters
影响因子:2.8
作者:Ke-Xin Zhang;Xing Wen;Cheng-Bao Yao;Jin Li;Meng Zhang;Qiang-Hua Li;Wen-Jun Sun;Jia-Da Wu
通讯作者:Jia-Da Wu
First-principle study of the Nbn+1CnT2 systems as electrode materials for supercapacitors
Nbn 1CnT2体系作为超级电容器电极材料的第一性原理研究
DOI:10.1016/j.commatsci.2017.11.019
发表时间:2018-02-15
期刊:COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
影响因子:3.3
作者:Bai, Lina;Yin, Haitao;Zhang, Xitian
通讯作者:Zhang, Xitian
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