MIS硅基隧道發(fā)光結的研究中文摘要

本課題為利用硅集成電路工藝，在面摻雜濃度10（23）cm(-3)的n型硅片上生長MIS隧道結，研究其發(fā)光特性。SiO2兩側金屬膜加電壓（約5V），隧穿電子在結界面激發(fā)起等離極化激元（SPP），作動量補償后，轉(zhuǎn)換為光子輻射。測得發(fā)射光譜分布在449nm到740nm之間，峰值462.4,618.4,721.2nm，相對強度6：12：21，效率2.77×10（-4%）。其中462.4nm的是SiO2/n-Si界面的SPP模，它所對應的電子濃度高于摻雜值。按發(fā)光測得I-V曲線上的負阻現(xiàn)象，可用動態(tài)電荷積累假設來解釋。分析了雙勢壘隧道結，觀察到負阻、譜藍移、效率提高等現(xiàn)象。按SPP→光的轉(zhuǎn)換可逆，提出了雙光纖 MIS的增強光輸出結構。對粗糙度作了統(tǒng)計分析并對它影響結的發(fā)光關系用格林函數(shù)作了理論處理。 2100433B

本項目緊密圍繞研究目標，在隧道結發(fā)光的角向分布、偏振和光譜特征以及分子發(fā)光的躍遷偶極特性的表征方面，開展了一系列的工作，取得了若干成果：（1）在儀器研制方面，研制了與超高真空低溫STM聯(lián)用的后焦面光子探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道結中光子發(fā)射的角向分布特性的表征；研制了與超高真空低溫STM聯(lián)用的HBT系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道結中光子發(fā)射統(tǒng)計特性與偏振特性的表征；發(fā)展出了具有亞納米空間分辨的光致熒光成像技術，實現(xiàn)了對分子的躍遷偶極取向的實空間表征；（2）在科學進展方面，研究了卟啉分子J型聚合體的電致發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)其電致發(fā)光特征受到分子間偶極-偶極相互作用影響，并討論了在不同隧穿電流下卟啉J-型聚集體與納腔等離激元的相互作用特性；研究了分子發(fā)光與偶極-偶極作用的關系，利用發(fā)展出的亞納米空間分辨的熒光成像技術，實現(xiàn)了對分子間相干偶極相互作用的實空間直接觀察，開辟了研究分子間相互作用和能量轉(zhuǎn)移的新途徑，同時也為光合作用中分子捕光結構的優(yōu)化和分子糾纏體系及其光源的調(diào)控提供了新的思路；設計并通過微納加工制備了具有中心缺陷結構的二維等離激元光子晶體納米陣列，并將其作為襯底引入到STM中，并研究其缺陷模式形成的光學共振微腔對針尖誘導的納腔等離激元的增強效應和模式調(diào)控作用。 到目前為止，已在SCI期刊上發(fā)表研究論文5 篇，其中有較重要影響的論文包括Nature 1篇，Applied Physics Letters 1篇，Nanoscale 1篇；項目負責人在2016年獲得基金委優(yōu)秀青年基金支持，與合作者一起培養(yǎng)博士研究生3 名。

分子尺度上的光電器件集成是未來信息能源技術中的一個重要發(fā)展方向，其科學基礎在于納米尺度下對光電相互作用與轉(zhuǎn)化過程的認識和調(diào)控。本項目將利用高分辨掃描隧道顯微鏡與高靈敏光學檢測的聯(lián)用技術，以含共軛π電子體系體系的有機多功能光電分子為研究對象，利用隧穿電子的高度局域化激發(fā)，構筑并利用“倒置”光子收集通道來對隧道結中單分子電致發(fā)光的性質(zhì)、尤其是光子發(fā)射的角向分布特征進行高分辨的表征，研究隧道結中分子發(fā)光的躍遷偶極取向，探索通過改變隧道結等離激元模式來調(diào)控單分子發(fā)光的光子輻射方向與偏振方向的方法。研究結果不僅有助于理解分子在納米環(huán)境中的光電行為，而且有助于探索隧道結中的電子、激子、聲子、表面等離激元和光子等之間的相互耦合和轉(zhuǎn)化過程，為今后設計和優(yōu)化基于分子光源的有源等離激元器件提供科學基礎與依據(jù)。

繼續(xù)摸索中間絕緣層的生長工藝，并利用各種微電子加工技術，制備出磁場電阻高、結電阻低、重復率好的優(yōu)質(zhì)單勢壘磁隧道結材料。深入研究磁隧道結的偏壓特性，運用全量子力學模型，結合磁振子、聲子的激發(fā)及界面能級結構的變化，對隧道結磁電阻隨偏壓變化的現(xiàn)象作出理論詮釋。制備雙勢壘磁隧道結或選擇自旋極化率符號相反的鐵磁電極材料，研究反常隧道磁電阻現(xiàn)象及其隨外加偏壓的變化。 2100433B