Chế tạo, nghiên cứu vật liệu zno thích hợp cho bức xạ laser ngẫu nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Văn Thìn CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ZnO THÍCH HỢP CHO BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62 44 07 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Thế Bình PGS TS Tạ Đình Cảnh Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Thế Bình PGS TS Tạ Đình Cảnh Tôi nhận giúp đỡ tận tình, lời dẫn, định hướng quý báu thầy từ hình thành ý tưởng nghiên cứu trình thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn tới thầy cô giáo, cán bộ, anh chị nghiên cứu sinh học viên cao học Bộ môn Vật lý Chất rắn, Bộ môn Quang lượng tử, Bộ môn Vật lý Đại cương Trung tâm Khoa học Vật liệu (Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên) quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học quan chức Trường Đại học Khoa học Tự nhiên giúp đỡ hoàn thành khóa học nghiên cứu sinh Xin trân trọng cảm ơn hỗ trợ tài đề tài trọng điểm cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số QGTĐ 06-02 Tôi xin cảm ơn quan tâm, động viên cô chú, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Học viện Kỹ thuật Quân sự; giúp đỡ quan chức thuộc Học viện Kỹ thuật Quân Cuối xin dành tặng luận án cho người thân tôi, họ động lực để đạt kết ngày hôm Hà Nội, ngày 11 tháng năm 2015 Phạm Văn Thìn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết trình bày Luận án trung thực chưa công bố công trình khác Các thông tin, tài liệu trích dẫn Luận án ghi rõ nguồn gốc TÁC GIẢ Phạm Văn Thìn ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA ZnOError! Bookmark not defined 1.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO Error! Bookmark not defined 1.1.2 Cấu trúc vùng lượng ZnO Error! Bookmark not defined 1.1.3 Tính chất quang học vật liệu ZnO Error! Bookmark not defined 1.1.4 Bức xạ cưỡng từ vật liệu ZnO Error! Bookmark not defined 1.2 TỔNG QUAN VỀ LASER NGẪU NHIÊN .Error! Bookmark not defined 1.2.1 Giới thiệu laser ngẫu nhiên Error! Bookmark not defined 1.2.2 Mô hình lý thuyết Letokhov laser ngẫu nhiênError! Bookmark not defined 1.2.3 Sự phát triển laser ngẫu nhiên Error! Bookmark not defined 1.2.4 Laser ngẫu nhiên từ vật liệu ZnO Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MẪUError! Bookmark not defined 2.1 MẪU DẠNG VIÊN NÉN Error! Bookmark not defined 2.2 MẪU MÀNG MỎNG Error! Bookmark not defined 2.2.1 Tạo màng ZnO phương pháp Sol-gelError! defined Bookmark not 2.2.2 Tạo màng ZnO phương pháp phún xạError! Bookmark not defined 2.3 MẪU BỘT NANO ZnO .Error! Bookmark not defined 2.3.1 Tạo bột nano Zno phương pháp hóa - vi sóngError! Bookmark not defined 2.3.2 Tạo bột hình cầu ZnO phương pháp thủy phânError! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TỪ CÁC MẪU ZnO DẠNG VIÊN NÉN VÀ MÀNG MỎNG Error! Bookmark not defined 3.1 XÂY DỰNG HỆ ĐO PHỔ PHÁT QUANG KÍCH THÍCH BẰNG LASER N Error! Bookmark not defined 3.1.1 Kỹ thuật đo huỳnh quang phân giải thời gianError! Bookmark not defined 3.1.2 Kỹ thuật xây dựng hệ đo Error! Bookmark not defined 3.2 KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TRÊN HỆ ĐO PHỔ PHÁT QUANG KÍCH THÍCH BẰNG LASER N2 .Error! Bookmark not defined 3.2.1 Phổ phát quang mẫu viên nén mẫu màng mỏngError! Bookmark not defined 3.2.2 Bức xạ laser ngẫu nhiên từ mẫu viên nén Error! Bookmark not defined 3.2.3 Bức xạ laser ngẫu nhiên từ mẫu màng mỏngError! Bookmark not defined CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TỪ CÁC MẪU ZnO DẠNG BỘT Error! Bookmark not defined 4.1 KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TRÊN HỆ THU PHỔ PHÁT QUANG KÍCH THÍCH BẰNG LASER Nd:YAG XUNG NANO GIÂY Error! Bookmark not defined 4.1.1 Bố trí hệ thu phổ phát quang kích thích laser Nd:YAG xung nano giây Error! Bookmark not defined 4.1.2 Phổ xạ laser ngẫu nhiên hệ đo phổ phát quang kích thích laser Nd:YAG xung nano giây Error! Bookmark not defined 4.2 KHẢO SÁT PHỔ BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TRÊN HỆ THU PHỔ PHÁT QUANG KÍCH THÍCH BẰNG LASER Nd:YAG XUNG PICO GIÂY Error! Bookmark not defined 4.2.1 Hệ thu phổ phát quang kích thích laser Nd:YAG xung pico giây Error! Bookmark not defined 4.2.2 Phổ xạ laser ngẫu nhiên hệ thu phổ phát quang kích thích laser Nd:YAG xung pico giây Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng tinh thể ZnO Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Vùng Brillouin (a) cấu trúc vùng lượng (b) mạng lục giác Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Sơ đồ vùng lượng tinh thể ZnO Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Các chế hấp thụ photon ánh sáng Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Các trình tái hợp xạ Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Chuyển mức tái hợp xạ vùng - vùng Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Phổ lặp lại phonon phổ huỳnh quang ZnO Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Vùng exciton tự quang phổ PL ZnO 10K Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Vùng exciton liên kết quang phổ PL ZnO 10 K Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Vùng TES quang phổ PL ZnO 10 K Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Vùng DAP lặp lại LO-phonon ZnO 10 K Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Huỳnh quang lấy tích phân phổ mẫu ZnO (RT) Error! Bookmark not defined Hình 1.13 Phổ TRPL mẫu ủ nhiệt độ 1000, 950, 800 0C Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Phổ PL chuẩn hoá với cường độ kích thích khác Error! Bookmark not defined Hình 1.15 Phổ xạ laser (RT) Error! Bookmark not defined Hình 1.16 Phổ tăng ích quang học lớp epitaxy ZnO Error! Bookmark not defined Hình 1.17 Nguyên tắc hoạt động laser truyền thống laser ngẫu nhiên Error! Bookmark not defined Hình 1.18 Phổ phát xạ màng mỏng ZnO với cường độ kích thích khác Error! Bookmark not defined Hình 1.19 Sự phụ thuộc cường độ xạ vào cường độ kích thích Error! Bookmark not defined Hình 1.20 Sự phân bố không gian phổ phát xạ Error! Bookmark not defined Hình 1.21 Phổ xạ laser theo góc Error! Bookmark not defined Hình 1.22 Phổ xạ laser diện tích kích thích 980, 1350, 1870 m2 Error! Bookmark not defined Hình 1.23 Sự phụ thuộc cường độ ngưỡng bơm vào diện tích kích thích [35]Error! Bookmark not defined Hình 1.24a Phổ phân giải thời gian cường độ xạ ngưỡng (a); ngưỡng (b) ngưỡng laser (c) Error! Bookmark not defined Hình 1.24b Phổ xạ phân giải theo thời gian – bước sóng Error! Bookmark not defined Hình 1.25 Phổ xạ viên nén ZnO với cường độ kích thích khác Error! Bookmark not defined Hình 1.26 Phổ xạ laser bột ZnO kích thích xung ns Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp gốm truyền thống Error! Bookmark not defined Hình 2.3 SEM JSM 5410 LV, JEOL Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Phổ nhiễu xạ tia X viên nén ZnO Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Ảnh SEM viên nén ZnO Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Quy trình tạo vật liệu phương pháp Sol-gel Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Sơ đồ chế tạo màng ZnO phương pháp Sol-gel Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Phổ nhiễu xạ tia X màng ZnO chế tạo phương pháp Sol-gel Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Ảnh SEM màng ZnO chế tạo phương pháp Sol-gel Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Nguyên lý trình phún xạ Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ cathode chiều [3] Error! Bookmark not defined Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ cathode xoay chiều RF [3] Error! Bookmark not defined Hình 2.13 Sơ đồ mạch điện phún xạ DC a) xoay chiều RF b) Error! Bookmark not defined Hình 2.14 Hệ phún xạ Univex-450 Error! Bookmark not defined Hình 2.15 Bia gốm ZnO bố trí giá đỡ bia bên buồng phún xạ hệ Univex-450 Error! Bookmark not defined Hình 2.16 Phổ nhiễu xạ tia X bia gốm màng ZnO chế tạo phương pháp phún xạ Error! Bookmark not defined Hình 2.17 Ảnh SEM màng ZnO chế tạo phương pháp phún xạ Error! Bookmark not defined Hình 2.18 Nguyên tắc hoạt động lò vi sóng Error! Bookmark not defined Hình 2.19 Hệ tạo mẫu phương pháp vi sóng Error! Bookmark not defined Hình 2.20 Giản đồ nhiễu xạ tia X hạt nano ZnO chế tạo dung môi khác nhau: Error! Bookmark not defined Hình 2.21 TEM JEM-1010, JEOL Error! Bookmark not defined Hình 2.22 Ảnh TEM hạt nano ZnO chế tạo dung môi khác Error! Bookmark not defined Hình 2.23a FE-SEM Hitachi S-4800 Error! Bookmark not defined Hình 2.23b TEM HITACHI H7100 Error! Bookmark not defined Hình 2.24 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu bột nano ZnO hình cầu Error! Bookmark not defined Hình 2.25 Ảnh FE-SEM mẫu bột nano ZnO hình cầu Error! Bookmark not defined Hình 2.26 Ảnh TEM mẫu bột nano ZnO hình cầu Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Cấu tạo bên đầu laser N2 TE - 999 Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Mặt cắt buồng laser Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Sơ đồ quang học máy đơn sắc cách tử kép GDM-1000 Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Nhân quang điện R928 Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Dao động ký số TDS-2014 Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Sơ đồ hệ đo kích thích laser N2 Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Các module chương trình máy tính hệ đo Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Giao diện chương trình thu hiển thị kết đo Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Xử lý số liệu đo ngôn ngữ Matlab Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Bố trí hệ đo phổ phát quang kích thích laser N2 Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Phổ phát quang viên nén ZnO Error! Bookmark not defined kích thích đèn Xenon a) kích thích laser xung N2 Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Phổ phát quang màng mỏng ZnO Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Phổ xạ laser từ mẫu viên nén ZnO Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Phổ xạ laser từ mẫu ZnO viên nén với mật độ kích thích khác nhauError! Bookmark not defined Hình 3.15 Đường cong tăng ích phổ mode cộng hưởng Error! Bookmark not defined Hình 3.16 Phổ xạ laser từ màng Sol-gel ZnO lớp Error! Bookmark not defined Hình 3.17 Phổ xạ laser từ màng phún xạ ZnO Error! Bookmark not defined Hình 3.18 Phổ xạ laser từ màng Sol-gel lớp với mật độ kích thích khác Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Phổ xạ laser từ màng phún xạ với mật độ kích thích khác Error! Bookmark not defined Hình 4.1 Hệ thu phổ phát quang kích thích laser Nd:YAG xung nano giây Error! Bookmark not defined Hình 4.2 Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro - 230 Error! Bookmark not defined Hình 4.3 Máy quang phổ MS 257 Error! Bookmark not defined Hình 4.4 Sơ đồ hệ thu phổ phát quang sử dụng laser Nd:YAG xung nano giây Error! Bookmark not defined Hình 4.5 Phổ nhiễu xạ tia X (a) ảnh SEM (b) mẫu bột thương mại Error! Bookmark not defined Hình 4.6 Phổ phát quang mẫu M1 (a) mẫu M2 (b) kích thích đa xung Error! Bookmark not defined Hình 4.7 Phổ xạ laser mẫu M1 (a) mẫu M2 (b) kích thích đơn xung Error! Bookmark not defined Hình 4.8 Sự phụ thuộc cường độ đỉnh phổ vào mật độ công suất bơ Error! Bookmark not defined Hình 4.9 Phổ phát quang bột ZnO bơm đa xung (a) đơn xung (b) Error! Bookmark not defined Hình 4.10 Cấu trúc vùng đỉnh phổ xạ laser m Error! Bookmark not defined Hình 4.11 Phổ phát quang bột ZnO thương mại kích thích đơn xung Error! Bookmark not defined Hình 4.12 Ảnh TEM mẫu ZnO Error! Bookmark not defined Hình 4.13 Hệ thu phổ phát quang kích thích laser Nd:YAG xung cỡ pico giây Error! Bookmark not defined Hình 4.14 Phổ phát quang bột ZnO hình cầu kích thích xung pico giây Error! Bookmark not defined Hình 4.15 So sánh phổ phát quang bột hình cầu (M2) bột thương mại (M3) Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt ABE CCD CVD DAP DBE EDS EHP FDTD Tiếng Anh Tiếng Việt Liên kết acceptor - exciton Linh kiện tích điện liên kết Lắng đọng pha hóa học Cặp donor-Acceptor Liên kết donor - exciton Phổ tán sắc lượng Plasma điện tử - lỗ trống Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FE Field Emission (súng điện tử) phát xạ trường FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng bán cực đại LASER Light Amplification by Stimulated Khuếch đại ánh sáng xạ Emission of Radiation cưỡng LED Light Emitting Diode Điốt xạ LO Longitudinal Optical Nhánh quang dọc MBE Molecular Beam Epitaxy Epitaxy chùm phân tử MOCVD Metal-Organic Chemical Vapor Lắng đọng từ pha hợp chất Deposition hữu kim loại PL PhotoLuminesscence spectrum Phổ huỳnh quang PMT PhotoMultiplier Tube Nhân quang điện PVD Physical Vapor Deposition Lắng đọng pha vật lý RF Radio Frequency Tần số rađiô RT Room Temperature Nhiệt độ phòng SE Stimulated Emission Bức xạ cưỡng SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SPE SPontaneous Emission Bức xạ tự phát TCSPC Time Correlated Single Photon Đếm đơn photon tương quan thời gian Counting TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua TES Two-Electron Satellite Hai electron vệ tinh TO Transverse Optical Nhánh quang ngang UV UltraViolet Cực tím XRD X-Ray Diffration Nhiễu xạ tia X Acceptor-Bound Exciton Charge Coupled Device Chemical Vapour Deposition Donor-Acceptor Pair Donor-Bound Exciton Energy Dispersive Spectroscopy Electron-Hole Plasma Finite Difference Time Domain MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng công nghiệp điện tử nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác công nghệ thông tin, công nghệ quang điện tử, laser bán dẫn cho thấy vai trò to lớn chất bán dẫn Chúng có mặt thiết bị gia dụng thiết bị khoa học đại nhất, từ ứng dụng đơn giản đến ngành khoa học đòi hỏi độ xác cao Kẽm ôxít (ZnO) nằm số chất bán dẫn thu hút quan tâm đặc biệt nhóm nghiên cứu tính chất hấp dẫn chuyển mức vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm lớn (3,3 eV nhiệt độ phòng), ZnO thường dùng làm vật liệu cho linh kiện quang điện tử hoạt động vùng tử ngoại ZnO có lượng liên kết exciton cỡ 60 meV, lớn nhiều với lượng nhiệt nhiệt độ phòng (26 meV), hiệu suất lượng tử xạ đạt tới gần 100 %, mở triển vọng việc chế tạo laser tử ngoại từ vật liệu ZnO nhiệt độ phòng [62] Màng mỏng ZnO phát xạ laser nhiệt độ phòng với mật độ dòng ngưỡng thấp [16,31,33] Vật liệu ZnO có nhiều ứng dụng khoa học đời sống Độ dẫn điện hệ số truyền qua lớn vùng ánh sáng nhìn thấy màng ZnO dùng làm điện cực pin mặt trời chất lượng cao; hệ số phản xạ cao ZnO vùng hồng ngoại khiến cho trở thành lớp phủ chống hấp thụ nhiệt hay vật liệu để sản xuất kính quang học; hiệu ứng quang dẫn sử dụng làm sensor quang; chiết suất ZnO phù hợp để làm màng dẫn sóng quang [62,72]; pha tạp tạp chất kim loại quý Pt Pd, màng ZnO dùng để chế tạo sensor phát khí độc khí hydro với độ nhạy cao [17] Trong năm gần đây, việc nghiên cứu vật liệu ZnO cấu trúc nano với nhiều hy vọng việc chế tạo hệ linh kiện có nhiều tính chất ưu việt so với mẫu khối Cấu trúc ZnO kích thước nanomét thể nhiều đặc tính lạ ưu việt so với cấu trúc thông thường, hứa hẹn nhiều ứng dụng lĩnh vực quang điện tử Một số tính chất quang học vi cấu trúc vật liệu ZnO cấu trúc nano chấm lượng tử, giếng lượng tử, dây nano dùng để chế tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thế Bình (2006), Quang phổ học thực nghiệm, NXB Giáo dục Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến phân tử nguyên tử, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Năng Định (2006), Vật lý kỹ thuật màng mỏng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2003), Vật lý laser ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, NXB Giáo dục Nguyễn Duy Phương (2005), Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất màng mỏng sở ZnO khả ứng dụng chúng, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh R.V Ambartsumyan, P G Kryukov and V S Letokhov (1967), “Dynamics of emission line narrowing for a laser with nonresonant feedback”, Sov Phys JETP 24, pp 1129-1134 10 R.V Ambartsumyan, P.G Kryukov, V.S Letokhov, and Yu.A Matveets (1967), “Emission statistics of a laser with nonresonant feedback”, JETP Lett 5, pp 312-314 11 R.V Ambartsumyan, P.G Kryukov, V.S Letokhov and Y.A Matveets (1968), “Statistical emission properties of a nonresonant feedback laser”, Sov Phys JETP 26, pp 1109-1114 10 12 R.V Ambartsumyan, N.G Basov, P.G Kryukov, and V.S Letokhov (1970), “Non-resonant feedback in lasers”, In Progress in Quantum Electronic Vol 1, J.H Sanders and K.W.H Stevens, eds Pergamon: NewYork, pp 107-185 13 J Andreasen, A A Asatryan, L C Botten, M A Byrne, H Cao, L Ge, L Labonté, P Sebbah, A D Stone, H E Türeci, C Vanneste (2011), “Modes of random lasers”, Advances in Optics and Photonics 3, pp 88-127 14 C H Bates, W B White and R Roy (1962), Science 137, p 933 15 D M Bagnall, Y F Chen, Z Zhu, T Yao, S Koyama, M Y Shen and T Goto (1997), “Optically pumped lasing of ZnO at room teperature”, Appl Phys Lett 70 (17), pp 2230-2232 16 D M Bagnall, Y F Chen, M Y Shen, Z Zhu, T Goto, and T Yao (1998), J Cryst Growth 605, pp 184–185 17 S Basu and A Dutta (1997), “Room-temperature hydrogen sensor based on ZnO”, Materials Chemistry and Physics 47, pp 93-96 18 T.V Butkhuzi, T G Chelidze, A N Georgobiani, D L Jashiashvili, T.G Khulordava and B E Tsekvava (1998), “Exciton photoluminescence of hexagonal ZnO”, Physical Review B 58(16), pp 10629-10695 19 Brandon Redding, Michael A Choma, Hui Cao (2011), “Spatial coherence of random laser emission”, Optics Letters 37(17), pp 3404-3406 20 Balachandran, Pacheco, Lawandy (1996), “Laser action in polymeric 21 22 23 24 gain media containing scattering particles”, Appl Opt 35, pp 640–643 Balachandran, Lawandy (1995), “Interface reflection effects in photonic paint”, Opt Lett 20, pp 1271-1273 Balachandran, Lawandy, Moon (1997), “Theory of laser action in scattering gain medium”, Opt Lett 22, pp 319-321 H Cao, J.Y Xu, S.-H Chang, and S.T Ho (2000), “Transition from amplified spontaneous emission to laser action in strongly scattering medium”, Phys Rev E 61, pp 1985-1989 H Cao, J.Y Xu, E.W Seeling, and R.P Chang (2000), “Microlaser made of disordered media”, Appl Phys., Lett 76, pp 2997-2999 11 25 H Cao, J.Y Xu, D.Z Zhang, S.-H Chan, S.T Ho, E.W Seelig, X Liu and R.P.H Chang (2000), “Spatial confinement of laser light in active random media”, Phys Rev Lett 84, pp 5584–5587 26 H Cao (2002), “Random lasers with coherent feedback”, Optical Properties of Nanostructured Random Media, V.M Shalaev, ed., Springer: NewYork 27 H Cao, Y.G Zhao, H.C Ong, S.T Ho, J.Y Dai, J.Y.Wu and R.P.H Chang (1998), “Ultraviolet lasing in resonators formed by scattering in semiconducor polycrystalline films”, Appl.Phys.Lett.73, pp 3656-3658 28 H Cao, Y.G Zhao, S.T Ho, E.W Seelig, Q.H, Wang, and R.P.H Chang (1999), “Random laser action in semiconductor powder”, Phys.Rev.Lett 82, pp 2278-2281 29 H Cao, Y Ling, and C.Q Cao (2001), “Photon statistics of random lasers with resonant feedback”, Phys Rev Lett 86, pp 4524–4527 30 B Chapman and S Mangano (1988), Introduction to sputtering Handbook of Thin Films Deposition Processes and Techniques, Noyes Publication Park Ridge, New Jersey, USA 31 Y Chen, D M Bagnall, H J Koh, K T Park, K Hiraga, Z Zhu and T Yao (1998), “Plasma assisted molecular beam epitaxy of ZnO on cplane sapphire: Growth and characterization”, Journal of Applied Physics 84 (7), pp.3912-3918 32 Y Chen, N T Tuan, Y Segawa, H Ko, S Hong, T Yao (2001), "Stimulated emission and optical gain in ZnO epilayers grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy with buffers", Appl.Phys.Lett 78(11), pp 1469-1471 33 S Choopun, R D Vispute, W Noch, A Balsamo, R P Sharma, T Venkatesan, A Iliadis and D C Look (1999), “Oxygen pressure-tuned epitaxy and optoelectronic properties of laser-deposited ZnO films on sapphire”, Appl Phys Lett 75 (25), pp 3947-3949 34 F Decremps, J Pellicer-Porres, A M Saitta, J.C Chervin and A Polian (2002), “High-pressure Raman spectroscopy study of wurtzite ZnO,” Physical Review B 65(9), pp 2101-2104 12 35 Kurniawan Firdaus, Toshihiro Nakamura and Sadao Adachi (2012), “Improved lasing characteristics of ZnO/organic-dye random laser”, Applied Physics Letters 100(17), pp 1101-1104 36 C Gouedard, D Husson, C Sauteret, F Auzel, and A Migus (1993), “Generation of spa- tially incoherent short pulses in laser-pumped neodymium stoichiometic crystals and powders”, J Opt Soc Am B 10, pp 2358–2363 37 A.Z Genack (1990), “Universality of wave propagation in random media”, Europhys Lett 11, pp 733–738 38 A.Z Genack (1990), “Fluctuations, correlation and average transport of electromagnetic radiation in random media”, The Scattering and Localization of ClassicalWaves, P Sheng, ed.,World Scientific: Singapore 39 Jian Huang, Muhammad Monzur Morshed, Zheng Zuo and Jianlin Liu (2014), “Distributed Bragg reflector assisted low-threshold ZnO nanowire random laser diode”, Appl Phys Lett 104, 131107, 1-3 40 H Ibach (1969), Phys Status Solidi 33, p257 41 J E Jaffe, Pandey Ravindra and A B Kunz (1991), “Electronic structure of the rocksalt-structure semiconductors ZnO and CdO”, Physical Review B 43 (17), pp 14030-14034 42 X Jiang, Q Li, and C M Soukoulis (1999), “Symmetry between absorption and amplification in disordered media”, Phys.Rev.B 59, pp 9007-9010 43 M Kawasaki et al (1998), Mater Sci Eng B 56, p239 44 W Koechner (1999), Solid-State Laser Engineering, 5th revised and updated ed., Springer- Verlag: NewYork 45 C F Klingshirn (1995), Semiconductor Optics, Berlin 46 Charles Kittel (1986), Introduction to solid state physics (sixth edition), John Wiley Sons, Inc., New York, Chicchester, Brisbane, Toronto, Singapore 47 Kwang-Yong Jeong, Yong-Hee Lee, Hui Cao, and Jin-Kyu Yang (2012), “Lasing in localized mode at optimized photonic amorphous structure”, Applied Physics Letters 101, pp 091101-091104 13 48 N.M Lawandy, R.M Balachandran, A.S.L Gomes (1993), The International Conference of Luminescence, University of Connecticut, Storrs, CT 49 N.M Lawandy, R.M Balachandran, A.S.L Gomes, and E Sauvain (1994), “Laser action in strongly scattering medium”, Nature 368, pp 436–438 50 V.S Letokhov (1968), "Generation of light by a scattering medium with negative resonance absorption”, Sov Phys JETP 26, pp 835–840 51 V.S Letokhov (1967), “Stimulated emission of an ensemble of scattering particles with negative absorption”, JETPLett.5, pp 212-215 52 Y Ling, H Cao, A.L Burin, M.A Ratner, X Liu, and R.P.H Chang (2001), “Investigation of random lasers with resonant feedback”, Phys.Rev.A 64, 063808, 1-8 53 C Y Liu, H Y Xu, Y Sun, J G Ma, and Y C Liu (2014), “ZnO ultraviolet random laser diode on metal copper substrate”, Optics Express 22(14), pp 16731-16737 54 R Loudon (1983), The Quantum Theory of Light, 2nd ed., Oxford University Press: Oxford 55 Chia Hao Lu, Tzu Yang Chao, Ying Feng Chiu, Shuo Yen Tseng and Hsu Cheng Hsu (2014), “Enhanced optical confinement and lasing charateristics of individual urchin-like ZnO microstructures prepared by oxidation of metallic Zn”, Nanoscale Research Letters 9(178) 56 V.M Markushev, N.È Ter-Gabriélyan, Ch.M Briskina, V.R Belan, and V.F Zolin (1990), “Stimulated emission kinetics of neodymium powder lasers”, Sov J Quantum Electron 20, pp 772–777 57 V.M Markushev, V.F Zolin, and Ch.M Briskina (1986), “Luminescence and stimulated emission of neodymium in sodium lanthanum molybdate powders”, Sov J Quantum Electron 16, pp 281–283 58 V.M Markushev, V.F Zolin, and Ch.M Briskina (1986), “Powder laser”, Zh Prikl Spektr 45, pp 847–850 59 V.M Markushev, V.F Zolin, and Ch.M Briskina (1986), “Luminescence and stimulated emission of neodymium in sodium lanthanum molybdate powders”, Sov J Quantum Electron 16, pp 281–283 14 60 V.M Markushev, M V Ryzhkov, Ch M Briskina, H Cao, L A Zadorozhnaya, E I Givargisov, H Zhong, S.-W Wang, and W Lu (2007), “ZnO Random Laser Spectra under Nanosecond pumping”, Laser Physics 17(9), pp 1109–1118 61 V.M Markushev, M.V Ryzhkov, C.M Briskina (2006), “Characteristic properties of ZnO random laser pumped by nanosecond pulses”, Appl.Phys.B 84, 333-337 62 H Morkoc and U Ozgur (2007), Zinc Oxide, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KgaA 63 Toshihiro Nakamura, Hideki Fujiwara, Ryo Niyuki, Keiji Sasaki, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki, Takeshi Tsuji and Sadao Adachi (2014), “Origins of lasing emission in a resonance-controlled ZnO random laser”, New Journal of Physics 16, 09354 64 Toshihiro Nakamura, Kurniawan Firdaus and Sadao Adachi (2012), “Electron-hole plasma lasing in a ZnO random laser”, Physiccal Review B 86, 20510 65 M.A Noginov (2005), Solid state random laser, Springer Series in Optical Sciences 105 66 M.A Noginov, N.E Noginova, H.J Caulfield, P Venkateswarlu, T Thompson, M Mahdi, and V Ostroumov (1996), “Short-pulsed stimulated emission in the powders of NdAl3(BO3)4, NdSc3(BO3)4 and Nd:Sr5 (PO4)3 F laser crystals”, J Opt.Soc.Am B 13, pp 2024-2033 67 M.A Noginov, I.N Fowlkes, G Zhu, and J Novak (2004), “Random laser thresholds in cw and pulsed regimes”, Phys.Rev.A 70, pp 043811/1–5 68 M.A Noginov, N.E Noginova, H.J Caulfield, P Venkateswarlu, T Thompson, M Mahdi, and V Ostroumov (1996), “Short-pulsed stimulated emission in the powders of NdAl3(BO3)4, NdSc3(BO3)4, and Nd:Sr5(PO4)3F laser crystals”, J Opt Soc Am B 13, pp 2024–2033 69 M.A Noginov, N.E Noginova, H.J Caulfield, P Venkateswarlu, T Thompson, M Mahdi, and V Ostroumov (1996), “Stimulated emission without cavity in powders and single crystals of Nd doped materials”, In OSA Trends in Optics and Photonics on Advanced Solid State Lasers 1, 15 S.A Payne and C.R Pollock, eds America:Washington, DC, pp 585–590 Optical Society of 70 M.A Noginov, N.E Noginova, H.J Caulfield, P.Venkateswarlu, and M Mahdi (1995), “Line narrowing in the dye solution with scattering centers”, Opt Commun 118, pp 430–437 71 M.A Noginov, N Noginova, S.U Egarievwe, H.J Caulfield, C Cochrane, J.C Wang, M.R Kokta, and J Paitz (1998), “Study of the pumping regimes in Ti-sapphire and Nd0.5La0.5Al3(BO3)4 powders”, Opt Mater 10, pp 297–303 72 U Ozgur, Ya.I Alivov, C Liu, A Teke, M.A Reshchikov, S Dogan, V Avrutin, S.J Cho and H Morkoc (2005), “A comprehensive review of ZnO materials and devices”, Journal of applied physics 98, 041301 73 U Ozgur, A Teke, C Liu, S.-J Cho, H Morkoc, H O Everitt (2004), "Stimulated emission and time-resolved photoluminescence in rfsputtered ZnO thin films", Appl Phys Lett 84(17), pp 3223-3225 74 A Ohtomo et al (1998), Mater Sci Eng., B 54, 24 75 A Payne, H Cao, A Yamilov (2010), “Criterion for light localization in random amplifying media”, Physica B 405, pp 3012-3015 76 M Patra and C.W.J Beenakker (1999), “Excess noise for coherent radiation propagating through amplifying random media”, Phys.Rev.A 60, pp 4059-4066 77 Eric W Seelig, Betty Tang, Alexey Yamilov, Hui Cao, R.P.H Chang (2003), "Self-assembled 3D photonic crystals from ZnO colloidal spheres", Materials Chemistry and Physics 80, pp 257–263 78 Peter Schroer, Peter Kruger and Johannes Pollmann (1993), "First principles calculation of the electronic structure of the wurtzite semiconductors ZnO and ZnS", Phys.Rev B 47(12), pp 6971-6980 79 Andrew J Skinner and John P LaFemina (1992), “Surface atomic and electronic structure of ZnO polymorphs”, Physical Review B 45(7), pp 3557-3564 80 O Svelto (1998), Principles of Lasers, 4thed., D C Hanna, trans And ed Plenum: NewYork 16 81 W.L Sha, C.-H Liu, and R.R Alfano (1994), “Spectral and temporal measurements of laser action of rhodamine 640 dye in strongly scattering media”, Opt Lett 19, pp 1922–1924 82 V Srikant and D R Clarke (1997), "Optical absorption edge of ZnO thin films: The effect of substrate", J Appl Phys 81 (9), pp 6357-6364 83 Cho Sunglae, Ma Jing, Kim Yunki, Sun Yi, Wong George K.L and Ketterson John B (1999), “Photoluminescence and ultraviolet lasing of polycrystalline ZnO thin films prepared by the oxidation of the metallic Zn”, Appl Phys Lett 75 (18), pp 2761-2763 84 Jasprit Singh (2003), Electronic and Optoelectronic properties of Semiconductor Structures, Cambridge, GBR 85 W.L Sha, C.-H Liu, F Liu, and R.R Alfano (1996), “Competition between two laser modes of sulforhodamine 640 in highly scattering media”, Opt Lett 21, pp 1277–1279 86 N.E Ter-Gabrielyan, V.M Markushev, V.R Belan, Ch.M Briskina, and V.F Zolin (1991), “Stimulated emission spectra of powders of double sodium and lanthanum tetramlybdate”, Sov J Quantum Electron 21, pp 32–33 87 R.K Thareja and A Mitra (2000), “Random laser action in ZnO”, Appl Phys B 71, pp 181–184 88 Jin-Kyu Yang, Heeso Noh, Michael J Rooks, Glenn S Solomon, Frank Vollmer, Hui Cao (2011), “Lasing in localized modes of a slow light photonic crystal waveguide”, Applied Physics Letters (98), 241107 89 P Yu, Z K Tang, G K L Wong, M Kawasaki, A Ohtomo, H Koinuma and Y Segawa (1998), J Cryst Growth, pp 184–185 17 [...]... tử hoạt động vùng tử ngoại ZnO có năng lượng liên kết exciton cỡ 60 meV, lớn hơn nhiều với năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng (26 meV), hiệu suất lượng tử bức xạ có thể đạt tới gần 100 %, mở ra triển vọng trong việc chế tạo laser tử ngoại từ vật liệu ZnO ở nhiệt độ phòng [62] Màng mỏng ZnO phát xạ laser ở nhiệt độ phòng với mật độ dòng ngưỡng khá thấp [16,31,33] Vật liệu ZnO có rất nhiều ứng dụng trong... của màng ZnO được dùng làm điện cực pin mặt trời chất lượng cao; hệ số phản xạ cao của ZnO ở vùng hồng ngoại khiến cho nó trở thành lớp phủ chống hấp thụ nhiệt hay vật liệu để sản xuất kính quang học; hiệu ứng quang dẫn có thể sử dụng làm sensor quang; chiết suất của ZnO rất phù hợp để làm màng dẫn sóng quang [62,72]; khi pha tạp các tạp chất kim loại quý như Pt hoặc Pd, màng ZnO được dùng để chế tạo... năm gần đây, việc nghiên cứu vật liệu ZnO cấu trúc nano với nhiều hy vọng trong việc chế tạo một thế hệ linh kiện mới có nhiều tính chất ưu việt so với các mẫu khối Cấu trúc ZnO ở kích thước nanomét thể hiện nhiều đặc tính mới lạ và ưu việt hơn so với cấu trúc thông thường, hứa hẹn nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử Một số tính chất quang học và vi cấu trúc của vật liệu ZnO ở cấu trúc nano... thiết bị gia dụng cho đến các thiết bị khoa học hiện đại nhất, từ những ứng dụng đơn giản nhất đến các ngành khoa học đòi hỏi độ chính xác cao Kẽm ôxít (ZnO) nằm trong số những chất bán dẫn thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhóm nghiên cứu do các tính chất hấp dẫn của nó như chuyển mức vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm lớn (3,3 eV ở nhiệt độ phòng), ZnO thường được dùng làm vật liệu cho các linh kiện... Emission (súng điện tử) phát xạ trường FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng bán cực đại LASER Light Amplification by Stimulated Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ Emission of Radiation cưỡng bức LED Light Emitting Diode Điốt bức xạ LO Longitudinal Optical Nhánh quang dọc MBE Molecular Beam Epitaxy Epitaxy chùm phân tử MOCVD Metal-Organic Chemical Vapor Lắng đọng từ pha hơi các hợp chất Deposition hữu cơ... Đình Chiến (2003), Vật lý laser và ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 6 Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội 7 Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, NXB Giáo dục 8 Nguyễn Duy Phương (2005), Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng mỏng trên cơ sở ZnO và khả năng ứng dụng của chúng, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Quốc... huỳnh quang PMT PhotoMultiplier Tube Nhân quang điện PVD Physical Vapor Deposition Lắng đọng pha hơi vật lý RF Radio Frequency Tần số rađiô RT Room Temperature Nhiệt độ phòng SE Stimulated Emission Bức xạ cưỡng bức SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SPE SPontaneous Emission Bức xạ tự phát TCSPC Time Correlated Single Photon Đếm đơn photon tương quan thời gian Counting TEM Transmission... properties of laser- deposited ZnO films on sapphire”, Appl Phys Lett 75 (25), pp 3947-3949 34 F Decremps, J Pellicer-Porres, A M Saitta, J.C Chervin and A Polian (2002), “High-pressure Raman spectroscopy study of wurtzite ZnO, ” Physical Review B 65(9), pp 2101-2104 12 35 Kurniawan Firdaus, Toshihiro Nakamura and Sadao Adachi (2012), “Improved lasing characteristics of ZnO/ organic-dye random laser , Applied... and Sadao Adachi (2014), “Origins of lasing emission in a resonance-controlled ZnO random laser , New Journal of Physics 16, 09354 64 Toshihiro Nakamura, Kurniawan Firdaus and Sadao Adachi (2012), “Electron-hole plasma lasing in a ZnO random laser , Physiccal Review B 86, 20510 65 M.A Noginov (2005), Solid state random laser, Springer Series in Optical Sciences 105 66 M.A Noginov, N.E Noginova, H.J... lượng tử, dây nano được dùng để chế tạo 9 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Nguyễn Thế Bình (2006), Quang phổ học thực nghiệm, NXB Giáo dục 2 Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử nguyên tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật 3 Nguyễn Năng Định (2006), Vật lý và kỹ thuật màng mỏng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội 4 Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXB Khoa học