光子晶体中稀土的发光性质及稀土氧化物中激子吸收的理论分析

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光子晶体是不同介电常数的材料在空间周期性排列的结构。光子晶体有一个重要特征,就是光子带隙,就像半导体中的电子一样。所以有人预言,正如半导体研究导致了电子工业的革命一样,光子晶体有可能代替半导体,导致再一次的技术革命。但是光子晶体无论是理论设计,实际制作过程,还是材料光学性能测试都还有一些具体问题有待研究。通过PS模板法成功合成了硼酸钇掺铕(YB03:Eu3+)反蛋白石结构光子晶体,并研究了光子晶体带隙与Eu3+离子5D0-7FJ发射的作用和相关的动力学衰减过程。与参比样品比较,光子晶体样品的发射峰在带隙边上有较大的Lamb移动。XRD结果表明YBO3:Eu3+反蛋白石光子晶体与参比样品的结构相同,这样便排除了结构对发射峰的影响。光子晶体的动力学过程包括两部分,一个快过程,一个慢过程。前者是按幂指数衰减的,对应着光子晶体中的弥散场,并且其中发光原子的自发辐射速率增加,后者是按指数衰减的,对应于光子晶体中的行波场,自发辐射速率受到抑制。合成了不同尺寸的PMMA微球,并用垂直沉积法制备了一系列高质量的光子晶体,观察了其带隙效应,并与理论计算比较,结果表明,选取不同PMMA直径的微球计算的带隙位置与前面观测的结果一致。在PMMA微球内掺入稀土配合物,研究窄带隙发光在光子晶体中的特性,并研究了不同偏振态的发光光谱,从文中得到结论,在无偏振片下,测量不到光谱的移动。如果测量光子晶体的不同偏振态,可以发现掺稀土后的光谱有移动,寿命也有相应的变化,可见在蛋白石结构的PMMA光子晶体中,也有光谱移动现象,对不同的偏振态影响的不同,在本文中光子晶体对S偏振态影响较大。本文还讨论了稀土氧化物中激子基态能量。实验观测到了,在纳米粒子中,由于尺寸限域效应,激子吸收峰出现蓝移。在本文中通过变分方法计算球形Y203的激子基态能量与粒度的关系。在本模型中,激子被限域在一层被介电层材料包覆的一个纳米粒子中。考虑的能量有激子的动能、势能、极化能和激子声子耦合能。动能和势能是通过有效质量近似和连续介电常数近似考虑的。激子声子相互作用能是通过中间耦合方法讨论的。数值计算结果和文献中实验结果一致。计算结果表面,对于稀土氧化物纳米粒子,当R<5nm时,对激子的限域作用主要来自于对激子动能的限域作用,而R>5nm时,对激子的限域作用主要来自于对激子势能的限域作用。在粒度小于10nm时,极化能对激子能量的贡献较大。电子声子耦合作用对激子能量的贡献相对较小。
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
第一章 引言第11-31页
    1.1 光子晶体的基本概念第11-12页
    1.2 光子晶体的特征第12-14页
    1.3 光子晶体与半导体的比较第14-15页
    1.4 光子晶体的应用第15-19页
        1.4.1 高性能反射镜第15-16页
        1.4.2 光子晶体波导第16页
        1.4.3 光子晶体微谐振腔第16-17页
        1.4.4 光子晶体光纤第17页
        1.4.5 光子晶体超棱镜第17-18页
        1.4.6 光子晶体激光器第18页
        1.4.7 光子晶体偏振器第18-19页
        1.4.8 光子晶体滤波器第19页
    1.5 光子晶体理论研究方法第19-22页
        1.5.1 平面波展开法第19-20页
        1.5.2 转移矩阵法第20页
        1.5.3 有限时域差分法第20-21页
        1.5.4 散射矩阵法第21页
        1.5.5 N阶法第21-22页
    1.6 光子晶体的制作方法第22-24页
        1.6.1 物理方法第22-23页
        1.6.2 化学自组装方法第23-24页
    1.7 光子晶体中的自发辐射行为和研究现状第24-28页
    1.8 稀土纳米材料中的激子的吸收第28-29页
    1.9 本论文的意义和创新第29-31页
第二章 YBO_3:Eu~(3+)反蛋白石光子晶体的制备和光学性质第31-45页
    2.1 实验部分第31-33页
        2.1.1 单分散聚苯乙烯(PS)微球及三维有序光子晶体模板的制备第31-32页
        2.1.2 YBO_3:Eu~(3+)溶液的制备第32页
        2.1.3 YBO_3:Eu~(3+)的光子晶体的制备第32-33页
    2.2 结果与讨论第33-43页
        2.2.1 聚苯乙烯(PS)微球及三维有序光子晶体模板在形貌和透过光谱第33-35页
        2.2.2 YBO_3:Eu~(3+)反蛋白石结构的光子晶体形貌和结构表征第35-38页
        2.2.3 YBO_3:Eu~(3+)反蛋白石结构的光子晶体光谱表征第38-43页
    2.3 本章小结第43-45页
第三章 球形Y_2O_3纳米粒子中激子的基态与粒度的关系第45-57页
    3.1.引言第45页
    3.2.计算方法第45-47页
    3.3.结果与讨论第47-55页
        3.3.1. 激子的基态能量第47-49页
        3.3.2. 激子的动能和库仑作用能第49-51页
        3.3.3. 极化作用能第51-53页
        3.3.4. 激子声子相互作用能第53-54页
        3.3.5. 激子基态能量中不同的能量项的贡献第54-55页
    3.4. 本章小结第55-57页
第四章 光子晶体中Eu(TTA)_3(TPPO)_2配合物的发光特性和偏振特性第57-75页
    4.1 实验部分第58-59页
        4.1.1 Eu(TTA)_3(TPPO)_2配合物的制备第58页
        4.1.2 PMMA微球的合成第58页
        4.1.3 PMMA光子晶体的合成第58-59页
    4.2 结果与讨论第59-74页
    4.3 本章小结第74-75页
第五章 总结第75-77页
参考文献第77-87页
在校期间学术成果情况第87-89页
作者简介第89-91页
致谢第91页
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