無機－有機複合ナノワイヤの歪制御と同時ドーピングによる高性能光デバイスの実現

通过无机-有机复合纳米线的应变控制和同时掺杂实现高性能光学器件

基本信息

批准号：
12F02316
负责人：
藤井稔
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12F02316/
关键词：
ナノワイヤ歪制御ドーピングナノロッド Si ZnO 歪非線形光学応答無機-有機

项目摘要

半導体ナノワイヤは，量子サイズ効果によりバルク半導体結晶には見られない興味深い物性を示す事から電子デバイス材料として注目されている。本研究では環境親和性が高い2種類の半導体材料，シリコン（Si)と酸化亜鉛（ZnO)，のナノワイヤの物性をさらに制御し，より有用な材料を創成することを目的に，ドーピングによる格子歪の導入，無機‐無機もしくは無機‐有機ヘテロ構造ナノワイヤの形成を行う。本年度は，以下の研究を実施した。１）Siナノ結晶への歪の導入と三次非線形光学応答の増大。ボールミリングにより直径10－42nm程度のSiナノ結晶を作製し，X線回折とTEMにより歪を評価した。歪の導入がSiナノ結晶の3次非線形光学応答に及ぼす影響について研究を行ったところ，2光子吸収係数と非線形屈折率が歪量に依存して変化することが明らかになった。特に歪量0.2－0.5％の領域において2光子吸収係数が単調に減少し非線形屈折率が単調に増加することを見出した。本研究の結果は，歪の導入による特性制御がSiナノ構造の非線形光学素子応用において有効であることを示している。２）EuドーピングによるZnOナノワイヤの第二次高調波発生（SHG）増強。ZnOナノワイヤは高い第二次高調波発生（SHG）効率を有することが知られている。不純物のドーピングによる結晶格子歪の導入によりZnOナノワイヤのSHG効率をさらに増大することを試みた。その結果，ユーロピウム（Eu）ドーピングによりSHGが大きく増大することを見出した。SHG強度はEu濃度が約0.5 at.%の時に最大となった。有効SHG係数増大のメカニズムを解明するために，フォトルミネッセンススペクトルのシュタルク分裂よりZnO結晶の対称性崩れの大きさを見積もった。有効SHG係数とZnO結晶の対称性崩れの大きさの間に強い相関が見られることから，EuドーピングによるZnO結晶の格子の歪がSHG増大の原因であると考えらえる。

半导体纳米线作为电子器件材料引起了人们的关注，因为它们由于量子尺寸效应而表现出块状半导体晶体中所没有的有趣的物理特性。在本研究中，我们旨在进一步控制硅（Si）和氧化锌（ZnO）两类高环境友好性半导体材料的纳米线的物理性质，并创造出更多有用的材料并形成无机-无机材料。或无机-有机异质结构纳米线。今年，我们进行了以下研究。 1）向硅纳米晶引入应变，增加三阶非线性光学响应。通过球磨制备直径约为10-42 nm的Si纳米晶体，并使用X射线衍射和TEM评估应变。研究引入应变对硅纳米晶三阶非线性光学响应的影响表明，双光子吸收系数和非线性折射率随着应变的大小而变化。特别是，我们发现在0.2-0.5%的应变范围内，双光子吸收系数单调减小，非线性折射率单调增加。这项研究的结果表明，通过引入应变来控制特性对于将硅纳米结构应用于非线性光学器件是有效的。 2）通过Eu掺杂增强ZnO纳米线的二次谐波产生（SHG）。众所周知，ZnO 纳米线具有高二次谐波产生 (SHG) 效率。我们尝试通过掺杂杂质引入晶格应变来进一步提高 ZnO 纳米线的倍频效率。结果，我们发现掺杂铕 (Eu) 后二次谐波显着增加。当Eu浓度约为0.5 at.%时，SHG强度达到最大值。为了阐明有效倍频系数增加的机制，我们从光致发光光谱的斯塔克分裂中估计了 ZnO 晶体中对称性破缺的大小。由于有效SHG系数与ZnO晶体中对称性破缺的大小之间存在很强的相关性，因此认为Eu掺杂引起的ZnO晶体的晶格畸变是SHG增加的原因。