揭示CdS纳米结构中的表面相关激子与激光发射

摘要

本文通过比较研究CdS纳米带（NBs）和纳米线（NWs）的光致发光（PL）特性，在低温下观测到自由激子A、中性供体束缚激子、中性受体束缚激子及表面相关激子（SX）的辐射复合发射，并利用功率依赖和温度依赖PL测量进行了分析。结果表明，SX发射在CdS纳米带和纳米线的发射中占主导地位，SX发射强度与表面积与体积比呈正相关，即SX发射强度与纳米结构的表面积成正比。同时发现CdS纳米线中的激子-声子相互作用弱于纳米带。此外，在室温下CdS纳米带观测到激光发射，阈值为608.13 mW/cm²，而纳米线无激光发射，这可归因于纳米线表面深能级跃迁引起的热效应导致损伤阈值较低。基于上述观测，SX发射显著影响纳米结构在激光和发光应用中的性能。

研究背景

低维纳米材料在光子器件中扮演重要角色，其量子尺寸效应和强各向异性衍生出独特性质。大表面积与体积比使低维半导体的光学性质强烈依赖材料质量和表面形貌。CdS作为直接带隙（室温下2.47 eV）的II-VI族半导体，广泛用于紫外-可见光电子器件。近年来，CdS纳米带和纳米线的激光现象受到关注，但表面激子及相关激光机制的理解尚不完善。本文系统比较了CdS纳米带和纳米线的光学性质，通过PL分析表面态相关激子发射，利用高密度光泵浦实验阐明表面积与体积比对激光的影响，揭示了量子限制效应和激子-LO声子相互作用在两种纳米结构中的作用。

实验方法

材料生长

CdS纳米带和纳米线利用物理气相沉积法在Si（100）衬底上生长。SEM显示纳米带宽约1 μm、厚约70 nm，纳米线直径约90 nm。

光学表征

PL信号经Andor光谱仪色散、CCD探测。温度依赖PL用He-Cd激光（325 nm）激发，样品置于闭循环氦制冷仪中；功率依赖PL用可变中性密度滤光片调节泵浦功率。激光发射实验采用355 nm脉冲激光（脉宽1 ns，频率20 Hz）激发。

结果与讨论

低温与室温PL光谱

20 K时，CdS纳米带显示FX_A（2.552 eV）、D⁰X（2.539 eV）、A⁰X（2.530 eV）及SX（2.510 eV）发射峰；纳米线仅呈现不对称SX峰（2.513 eV）。室温下纳米线SX发射强度约为纳米带的两倍，且峰位轻微蓝移。纳米线更大的表面积与体积比导致更强的表面激子发射，激光反射强度对比进一步佐证了这一点。

温度依赖PL分析

随温度升高，纳米带中FX_A、D⁰X、A⁰X峰红移且强度在100 K左右消失，而SX发射主导全温区（20–295 K）。SX峰位随温度红移符合Varshni公式，表明SX源于近带隙辐射复合。拟合参数显示纳米线的激子-声子耦合常数α和平均声子能量Θ均小于纳米带，暗示纳米线中激子-LO声子耦合减弱，源于长程平移对称性的部分破坏。

功率依赖PL与深能级发射

室温下纳米带SX发射指数α≈1，属激子复合；纳米线深能级发射（DLE）更明显，归因于更大表面积带来的更多表面缺陷。DLE/SX强度比随泵浦功率升高而降低，纳米带中SX上升更快，纳米线中DLE始终占优。DLE引发的热效应是限制纳米线激光性能的关键因素。

室温激光发射

纳米带在355 nm脉冲激光激发下表现出激光发射，平均功率阈值608.13 mW/cm²（瞬时功率3.04 GW/cm²）。激光峰随泵浦增强红移，指向电子-空穴等离子体复合。泵浦超过13 W/cm²时激光强度下降，最终样品损坏，归因于热效应。纳米线无激光发射，其损伤阈值仅2.65 mW/cm²，远低于纳米带激光阈值，大量DLE导致的热效应是主因。时间稳定性测试显示纳米带激光稳定，纳米线PL强度随时间快速衰减。

结论

CdS纳米带在20 K展现更丰富的谱结构，升温后SX发射主导。纳米线激子-LO声子相互作用较弱。室温下纳米带实现稳定激光发射（阈值608.13 mW/cm²），纳米线则因表面深能级跃迁引发的热效应导致损伤阈值极低而无激光输出。SX发射为纳米结构激光和发光应用提供高效通道。