（无线电物理专业论文）利用一维金属光栅提高led发光效率的研究.pdf

原创性声明 1 1 1 11 1 11 1 11 1u1 11 11i il y 17 9119 8 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 玄盔 堕 日期 圣坐丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 玄叁 堕导师签 日 期 兰 坠堕 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要 1 a b s t r a c t 缩略词索引 6 第一章引言 7 1 1 研究背景 一7 1 2 表面等离激元的研究现状 一7 1 3研究目的及意义 9 1 4 论文研究内容 l2 第二章表面等离激元理论 13 2 1金属的色散模型 l3 2 1 1 d e b y e 模型 l3 2 1 2l o r e n t z 模型 1 4 2 1 3d r u d e 模型及其修正形式 1 5 2 2 表面等离激元 1 8 2 3 表面等离激元的激发 2 5 2 3 1采用周期性结构激发 2 5 2 3 2 利用全反射激发 2 6 2 4 局域化表面等离激元 2 8 2 5 本章小结 2 9 第三章数值分析方法 3 0 3 1数值分析方法概述 3 0 3 1 1矩量法 3l 3 1 2 光束传播法 3 2 3 1 3有限元法 3 3 3 1 4 时域有限差分方法 3 4 3 2 时域有限差分方法 3 5 3 2 1 m a x w e l l 方程及其f d t d 形式 一3 5 山东大学硕士学位论文 3 2 2 吸收边界条件 4 0 3 2 3 数值稳定性 4 1 3 2 4 电偶极予源 4 2 3 3 本章小结 4 3 第四章采用一维会属光栅提高l e d 发光效率 4 4 4 1l e d 发展现状 4 4 4 2 表面等离激元增强l e d 发光效率 4 4 4 3 仿真分析 4 5 4 3 1计算模型 4 6 4 3 2 仿真结果分析 4 8 4 4 本章小结 5 6 第五章总结与展望 5 8 5 1 本论文的主要工作 5 8 5 2展望 5 9 参考文献 6 0 致谢 6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文 一6 8 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i nc h i n e s e 1 a b s t r a c t 3 a b b r e v i a t i o n s 6 c h a p t e rl i n t r o d u c t i o n 7 1 1 b a c k g r o u n d 7 1 2r e s e a r c ho f s u r f a c ep l a s m o n s 7 1 3 p u r p o s ea n dm e a n i n g 9 1 4 r e s e a r c hc o n t e n t s 1 c h a p t e r2t h e o r yo f s u r f a c e p l a s m o n s 1 3 2 1 d i s p e r s i o nm o d e l so f m e t a l 1 3 2 1 1 d e b y em o d e l 13 2 1 2 l o r e n t zm o d e l 1 4 2 1 3 d r u d em o d e la n dm o d i f i c a t i o n 15 2 2s u r f a c ep l a s m o n s l8 2 3e x c i a t i o no fs u r f a c ep l a s m o n s 2 5 2 3 1 p e r i o d i cs t r u c t u r e 2 5 2 3 2a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n 2 6 2 4 l o c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o n s 2 8 2 5 s u m m a r y 2 9 c h a p t e r3 n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s o 3 1o v e r v i e wo f n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s 3 0 3 1 1m o m e n tm e t h o d 31 3 1 2b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d 3 2 3 1 3f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 一3 3 3 1 4f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n 3 4 3 2f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n 3 5 3 2 1m a x w e l le q u a t i o n sa n df d t d 3 5 山东大学硕士学位论文 3 2 2 a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n 4 0 3 2 3 s t a b i l i t y 4 1 3 2 4e l e c t r i cd i p o l ei nf d t d 4 2 3 3 s u m m a r y 4 3 c h a p t e r4 t h es u r f a c ep l a s m o ne n h a n c e de f f i c i e n c yo fl e db yc o u p l i n gw i t ha m e t a l l i cg r a t i n g 4 4 4 1c u r r e n ts i t u a t i o no fl e d 4 4 4 2e n h a n c e de f f i c i e n c yo fl e db yu s i n gs u r f a c ep l a s m o n 4 4 4 3 a n a l y s i so fs i m u l a t i o n 4 5 4 3 1s i m u l a t i o nm o d e l 4 6 4 3 2 a n a l y s i so f r e s u l t s 4 8 4 4 s u m m a r y 5 6 c h a p t e r5 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 5 8 5 1c o n c l u s i o n 5 8 5 2 p r o s p e c ta n dp r o p o s a l 5 9 r e f e r e n c e s 6 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 7 l i s to f p u b l i c a t i o n s 6 8 山东大学硕士学位论文 中文摘要 表面等离激元在纳米光子学中有着重要的地位 随着理论研究和微加工技术 的进步 对支持表面等离激元的金属微纳结构的研究已经形成新的学科方向 近 年来表面等离子光学和纳米光子器件的研究引起了人们的广泛关注 电磁波在金 属 介质界面上激发出电荷密度振荡 这种振荡与电磁波形成的混合波称为表面 等离激元 这是一种束缚在金属 介质表面的表面波 具有近场增强 波长短 表面受限等特点 利用其在亚波长尺度内的局域特性 有可能突破衍射极限 实 现微米和纳米界面的光学耦合 在新型光源 光存储 新型芯片 纳米光学成像 等领域获得广泛的应用 目前限制g a n 基l e d 在照明领域应用的一个重要因素是它的外量子效率偏 低 由于g a n 材料与空气的折射率差别较大 存在界面全反射作用 使l e d 发 射的光大部分在界面反射回来 形成波导模式困在l e d 内部 经过多次反射后 被l e d 吸收 这不仅造成能量的大量损耗 而且由于使l e d 工作在高温状态 大大缩短其使用寿命 近年来 人们利用表面等离激元的特性提高l e d 的发光 效率 并且得到了较好的效果 当纳米金属结构置于发光层附近时 金属 介质 界面产生的表面等离激元能够提高发光层辐射效率 光子能量首先通过近场传递 到表面等离激元模式 然后转换成辐射模式 当频率达到表面等离激元共振频率 时 表面等离激元态密度变得非常大 这导致了能量从发光层到表面等离激元的 大量传递 从而引起辐射的增强 本文的内容主要分为以下几个部分 1 讨论了光频段的电磁波对金属内自由电子运动的影响 并介绍了几种金 属的色散模型 着重介绍了d r u d e 模型及其修j f 形式 在此基础上 对表面等离 激元的形成及特性进行了分析 并探讨了它的几个重要特征参数和激发方式 此 外 以金属纳米棒为例表明了局域化等离激元的存在和性质 2 介绍了几种电磁场数值计算方法 矩量法 光束传播法 有限元法和时 域有限差分法 并比较了各方法的优缺点 重点讨论了时域有限差分方法 3 采用三维f d t d 方法 实验模拟了单个偶极子的发光情况 仿真中以单 个偶极子的电场模拟l e d 发光层中电子空穴对复合时产生的电场 首先 对三 山东大学硕士学位论文 种不同的金属膜做了对比 银 会 铜的特性表明 银膜使偶极子辐射在蓝光频 段出现峰值 表明银更适合于蓝光l e d 的制造中 其次 对银膜表面的等离激 元特性作了分析 银膜和银光栅对辐射的影响做了比较 在银膜上刻痕后生成的 光栅结构对辐射增强的影响比银膜好得多 再次 对不同栅距的光栅进行了分析 选择合适的栅距 当偶极子置于银光栅附近时 等离激元在辐射增强过程中起到 关键性作用 辐射增强效果与偶极子方向和金属光栅占空比有很大依赖关系 最 后 对偶极子不同方向和光栅的不同占空比的情况下进行了仿真分析 在某些波 长上偶极子辐射能获得至少几f 一倍的增强 讨论了不同银光栅占空比及偶极子方 向对辐射增强的影响 由于局域化等离激元对金属纳米结构形状敏感 当占空比 变化时 会引起不同波长上的远场辐射增强 在不同的光栅几何形状情况下 随 着偶极子方向的变化 当其垂直于银 氮化镓界面时 能比其平行于该界面时得 到更佳的偶极子辐射及远场增强效果 这螳结果对于利用金属光栅提高发光器件 的效率具有重要的理论价值 关键词 发光二极管 表面等离激元 金属光栅 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u r f a c ep l a s m o np h o t o n i c sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h en a n o o p t i c s a n dw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h e o r ya n dm i r c o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h er e s e a r c ho fm e t a l n a n o s t r u c t u r eh a sf o r man e wa c a d e m i cd i r e c t i o n i nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c ho f p l a s m ao p t i c a la n dp l a s m o n b a s e dd e v i c e sh a sa r o u s e de x t e n s i v ea t t e n t i o n t h e c h a r g ed e n s i t yo s c i l l a t i o no nm e t a l d i e l e c t r i ci n t e r f a c ei si n s p i r e db ye l e c t r o m a g n e t i c w a v e s a n dt h em i x e dw a v e so ft h ed e n s i t yo s c i l l a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cw a v e sa r e c a l l e ds u r f a c ep l a s m o n w h i c hi sb o u n do nt h es u r f a c e w i t hf e a t u r e ss u c ha se n h a n c e d n e a r f i e l d s h o r tw a v e l e n g t h a n dl i m i t e ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s i tm a yb r e a kt h e d i f f r a c t i o nl i m i tb yt a k i n ga d v a n t a g eo fl o c a lf e a t u r e so fs u r f a c ep l a s m o na t s u b w a v e l e n g t h a c h i e v i n gt h eo p t i c a lc o u p l i n gb e t w e e nm i c r oa n dn a n o i n t e r f a c e i t w i l lb ew i d e l ya p p l i e di nt h en e wl i g h ts o u r c e o p t i c a ls t o r a g e t h en e wc h i pa n d n a n o o p t i c a li m a g i n g o n eo ft h er e s t r i c t i o n so fg a n b a s e dl e d a p p l i c a t i o ni nl i g h t i n gi si t sl o w e x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y s i n c et h eg r e a tr e f r a c t i v ei n d e xb e t w e e ng a na n da i r t h e m o s to fe m i t t e dl i g h tr e f l e c t sa tt h ei n t e r f a c e f o r m i n gt r a p p e dm o d e s t h el i g h ti s a b s o r b e dw i t h i nt h el e d c a u s i n gl a r g el o s so fe n e r g y w h i c hi sh a r m f u lt ot h el e d r e c e n t l y s u r f a c ep l a s m o nh a sb e e nu s e dt oe n h a n c et h el i g h te f f i c i e n c yo fl e d a n d s a t i s f i e dr e s u l t sw e r eo b t a i n e d w h e nt h em o m e n t u mc o n s e r v a t i o nb e t w e e np h o t o n s a n ds u r f a c ep l a s m o ni sr e a l i z e d t h ee m i t t e dp h o t o n sc a ne x i s ta sf o r mo fs u r f a c e p l a s m o n a n d i ft h es u r f a c ep l a s m o n sc a nb ec o n v e r t e dt or a d i a t i v ep h o t o n s t h e o v e r a l le x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c yw i l lb ee n h a n c e d w h e nam e t a ls t r u c t u r ei s p l a c e dn e a r b yt h ee m i u i n gl a y e r t h es p p sg e n e r a t e do nt h em e t a l d i e l e c t r i cs u r f a c e c a ni n c r e a s et h ee m i s s i o ne f f i c i e n c yt h ee n e r g yo fe m i t t e ri sf i r s tt r a n s f e r r e di n t o s p p sm o d e sv i at h ee m i t t e r sn e a rf i e l da n dt h e l li n t or a d i a t i o nm o d e s w i t h a p p r o a c h i n gt ot h es pf r e q u e n c y t h ed e n s i t yo fs p p sm o d e sb e c o m ed r a m a t i c a l l y l a r g e a n dt h i sc a ni n c r e a s et h ee n e r g yt r a n s f e rf r o mt h ee m i t t e rt os p p s e n h a n c i n g t h es p o n t a n e o u se m i s s i o nr a t e 3 山东大学硕士学位论文 t h ec o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs e c t i o n s 1 w ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fo p t i c a lb a n de l e c t r o m a g n e t i cw a v e so nt h e m o v e m e n to ff r e ee l e c t r o n si nt h em e t a l t h e ns e v e r a ld i s p e r s i o nm o d e so f m e t a lw e r e i n t r o d u c e d a m o n gw h i c ht h ed r u d em o d e sw i t hi t sm o d i f i e df o r mw e r ee m p h a s i z e d o nt h i sb a s e t h ef o r m a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ep l a s m o nw e r ea n a l y z e d t h e ns e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n de x c i t a t i o nm e c h a n i s mw e r ei n t r o d u c e d i n a d d i t i o n m e t a ln a n o r o d se x a m p l es h o w e dt h ee x i s t e n c ea n dn a t u r eo fl o c a l i z e d s u r f a c ep l a s m o n 2 s e v e r a ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d m e t h o do fm o m e n t s m o m b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d b p m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m a n d f i n i t e d i f f e r e n c ef r e q u e n c y d o m a i n f d t d a m o n gw h i c hf d t dw a se m p h a s i z e d 3 t h er a d i a t i o no fas i n g l ed i p o l ew a ss i m u l a t e db yu s i n gt h r e e d i m e n s i o n a l f d t dm e t h o d i nt h es i m u l a t i o n as i n g l ed i p o l ew a ss u b s t i t u t ef o rt h ee l e c t r o nh o l e p a i ri nl e d f i r s t l yt h r e ed i f f e r e n tm e t a lf i l m sw e r ec o m p a r e d a n dp r o p e r t i e so f s i l v e r g o l da n dc o p p e rs h o w e dt h a ts i l v e rf i l ml e a d e dt oap e a ki nt h eb l u el i g h tb a n d i n d i c a t i n gt h a ts i l v e rw a sm o r es u i t a b l ef o rt h em a n u f a c t u r eo f b l u el e d s e c o n d l y s u r f a c ep l a m o no nt h es i l v e rf i l mw a sa n a l y z e d t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i l v e rf i l m a n dg r a t i n gs h o w e dt h a tg r a t i n gc a nl e a dt om u c hm o r ee n h a n c e m e n to fr a d i a t i o n t h i r d l yd i f f e r e n tp i t c h e so ft h eg r a t i n gw e r es c a n n e d a n dm e a s u r a b l ep i t c hw a s s e l e c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts u r f a c ep l a s m o nc o u p l i n gp l a y e dac r u c i a lr o l ei nt h e r a d i a t i o ne n h a n c e m e n tp r o c e s s t h ee f f e c t so fe n h a n c e m e n te x t r e m e l yd e p e n d e do i l t h eo r i e n t a t i o no f d i p o l ea n dt h ed u t yc y c l eo ft h eg r a t i n g a n dt e n so ff o l d sr a d i a t i o n e n h a n c e m e n tw a so b t a i n e da ts o m ew a v e l e n g t h s l a s t l yt h ee n h a n c e m e n te f f e c to f d i p o l er a d i a t i o nc a u s e db yd i f f e r e n ts i l v e rg r a t i n gp i t c h e sa n dd i p o l eo r i e n t a t i o nw e r e d i s c u s s e d b e c a u s et h el s pw a ss e n s i t i v et ot h em e t a ln a n o s t r u c t u r e w h e nt h ed u t y c y c l eo fg r a t i n gw a sc h a n g e d f a r f i d de l e c t r o m a g n e t i ce n h a n c e m e n tw a so b t a i n e da t s o m ew a v e l e n g t h s w h e nt h eo r i e n t a t i o no fd i o p l ew a sp e r p e n d i c u l a rt oa g g a n i n t e r f a c e m u c hm o r er a d i a t i o no fd i p o l ea n df a r f i e l de l e c t r o m a g n e t i ce n h a n c e m e n t w e r eo b t a i n e d t h er e s u l t sw e r es i g n i f i c a n tt oi n c r e a s et h e e f f i c i e n c yo fl i g h t i n g 4 参 山东大学硕士学位论文 d e v i c e sb yu s i n gm e t a l l i cg r a t i n g k e yw o r d s l i g h te m i t t i n gd i o d e s u r f a c ep l a s m o n m e t a lg r a t i n g 5 山东大学硕士学位论文 缩略词索引 l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e s p p s s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s l s p sl o c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o n s 发光二极管 表面等离激元 局域表面等离激元 f d t df i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n时域有限差分 p m l p e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r q w sq u a n t u mw e l l s e q e e x t e r n a lq u a n t u ne f f i c i e n c y i q e i n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y 6 完全匹配层 量子阱 外量子效率 内量子效率 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 发光二极管 l i g h te m i t t i n gd i o d e l e d 是一种可将电能转换为光能的有源 电子器件 属于电致发光固态光源 与传统的光源相比 具有体积小 寿命长 电压低 节能和环保等优点 是下一代照明的理想选择 自l e d 发明以来 经 过半个多世纪的发展 技术上已取得了很大的进步 现在的l e d 光强达到烛光 级 寿命达到数万小时 辐射光的颜色形成了包含白光的多元色彩 制造成本已 降低到早期的十分之一 而且这种趋势还在进一步发展之中 但是半导体折射率 很高 由于全反射等因素 有源层产生的光绝大部分在l e d 内部转换为热能白 白损耗掉了 能够辐射到自由空i 日j 的光占很小部分 使传统l e d 的出光效率仍 然很低 因此提高l e d 的出光效率在节能减排的今天具有重要的意义 为了解 决这个问题 人们往往采用表面粗化 光子晶体 2 3 1 图像化衬底 4 1 倒装技术 5 等方法改善光在l e d 不同材料界面产生的反射 这些方法对于提高l e d 的出 光率是非常有效的 1 2 表面等离激元的研究现状 会属中存在自由电子 当电磁波入射到金属表面时 金属表面两侧的电场的 垂直分量不连续 自由电子局部会聚集在金属表面 随电场的变化而振荡 当电 子的振荡频率和入射电磁波的频率一致时就会产生共振 外来的电磁场能量被吸 收 这种特殊的电磁模式被称为表面等离激元 对于平坦的金属 介质表面 局 部聚集的自由电子受到平行于金属表面的电场驱动 会以疏密波的形式沿着金属 表面传播 局域于有限空间的电子会造成局部电磁场强度增强的现象 表面等离 激元沿着表面传播 而在垂直于该表面的法向上呈指数衰减 光波与粗糙金属表面或金属纳米结构的耦合 则表现为局域化的表面等离激 元 它的突出特点之一是巨大的局部场增强效应 使得近场外围内的介质对外界 电磁场的响应呈现独特的线性或非线性效应 如在特定的波长范围内出现强烈的 光吸收 光散射 发光和二次及三次谐波发生等 使能量传输和转换效率得到大 7 山东大学硕士学位论文 幅度提高 而当改变金属表面结构时 s p p s 的性质 色散关系 激发模式 耦 合效应等都将产生重大的变化 通过s p p s 与光场之i 日j 相互作用 能够实现对光 传播的主动操控 表面等离子体光子学已成为一门新兴的学科 它的原理 新颖 效应以及机制的探究 都极大地吸引研究者们的兴趣 目前 s p p s 已应用于很多领域 1 超高分辨率成像 由于光学衍射极限的存在 传统成像技术不能突破可见光的波长范围 2 0 0 0 年 p e n d r y 引进 超透镜 的概念 6 通过激发s p p s 来增强隐失波 利用银制 作的超透镜 可以得到6 0 n t o 分辨率的图像 突破了光学的衍射极限 b 图1 1传统的纳米光刻蚀术和基丁 超透镜的s p p s 纳米光刻蚀术性能的比较 a 传统的纳米刻蚀技术 b 利用s p p s 的纳米刻蚀技术 由图1 1 可见 采用s p p s 的纳米刻蚀比传统光刻技术的分辨率提高很多 传统光刻技术分辨率约为3 2 0 n t o 采用s p p s 后 分辨率可提高4 倍 2 等离子体光子芯片 当光子元件尺寸d n 可与光波长相比拟时 由于衍射极限的存在 光的传播 受到阻碍 目前电子电路可以制作出l o o n m 以下的尺寸了 但是光子回路的尺 寸仍保持在1 0 0 0 n m 量级 基于s p p s 的光子器件为走出这一困境提供了机遇 在亚波长尺度的会属结构中光场局域化和导波的可能性 可应用于构建亚波长光 子元件 等离子体光子芯片 为了使s p p s 在光子回路中取得良好的传输距离 人们已研究出各种等离激元波导 例如会属光子晶体 7 1 薄金属条 8 1 金属纳米 粒子链 9 1 金属纳米科 o l 等 5 0 1 0 0 n m 大小的金属球链传输距离在几百纳米以 内 1 1 1 而隧道型结构的亚波长等离激元波导可使传输距离达到微米量级 1 2 j 控 8 山东大学硕士学位论文 制表面等离激元能量的传输 使得它适合于实现集成光子回路中信息的传播 3 s p p s 耦合器 等离子光子芯片具有输入和输出端口 而这些端口可以通过s p p s 耦合器 避免将远场光直接耦合到芯片中的光电子器件上 将半径为5 z m 的l 4 圆周排列 的金属纳米颗粒与s p p s 波导整合在一起 当聚焦的s p p s 馈送进耦合器时 传 播距离可达到2 u m 1 3 如图1 2 所示 a b 图1 2s p p s 与银窄条波导的耦合 a 纳米点聚焦阵列 b s p p s 强度分布 此外 s p p s 还应用于制作各种调制器和开关 亚波长光学数据存储以及生 物光学 作为传感器和探测器 等领域 显示了广阔的应用前景 1 3 研究目的及意义 目前半导体发光二极管l e d 已成为各种固态发光器件的重要部分 但是也 面临着发光效率低的困境 半导体折射率比空气高 使得发光层产生的光只有很 小一部分辐射到自由空间 大部分的光经过多次全反射之后被电极或发光层吸收 了 l e d 的发光效率还有很大的提升空间 利用等离激元提高l e d 发光效率是 光可以激发表面等离激元 通过合理的金属表面结构 再以光的方式辐射出去 从而提高l e d 的量子效率 随着等离激元理论的深入研究 很多研究者利用s p p s 来提高l e d 的发光效 率 取得了明显的发光增强效果 2 0 0 4 年 o k a m o t o 等用i n g a n 半导体量子阱 作为发光层 在上面蒸镀了一层金属薄膜 与没有加金属的情况下量子阱发光强 9 山东大学硕士学位论文 度对比 可获得最多1 4 倍的发光增强效果 1 4 1 如图1 3 所示 图1 32 0 0 4 年o k a m o t o 利h j 金属薄膜增强量 f 阱发光 a 实验装置 b 不同金属对发光增强的影响 为进一步利用s p p s 提高l e d 发光效率 2 0 0 7 年o k a m o t o 等在前面实验的 基础上 在金属表面刻写哑波长会属光栅 使s p p s 能量更有效地转化为光能量 增强了发光强度 1 5 如图1 4 所示 p e r i o d g o l dg r a t i n g 卜啼 一爹 了 口 l n g a n 誊 g a n 望 由 c j 乱 a b 图1 4o k a m o t o 的迸一步研究结果 a 实验中的金光栅 b 不同周期的光栅的影响 2 0 0 6 年c h e nc h e n g y e n 等利用会属的扩散 形成金属纳米颗粒中心密度大 周围逐渐降低的结构 通过探测不同区域的发光强度 研究了不同的金属形貌对 发光增强效果的影响 实验结果得到 金属颗粒密度大的区域发光效率高 因为 此区域会产生更多的表面等离激元与发光层相互作用 更有效的满足相位匹配条 1 0 山东大学硕士学位论文 件 使表面等离激元能量辐射成光 j 6 j 如图1 5 所示 a k 0 i 彳爷 07 一j t p l l i e x c i t a t i o n l a j o lo嫩nm删c 越3喜嫩m 斟蔷 2 岫g 拼 量t s a p p h i r e 定 s u b a t e 2 52 62 72 82 9 3 0 p h o t o ne n e r g y e v 图1 5 c h e r tc l i c n g y e n 研究实验 a 金属颗粒分布 b 不同形貌对发光的影响 2 0 0 7 年y e hd o n g m i n g 等在接近实际使用的i n g a n 半导体量子阱l e d 内利 用表面等离激元获得了光致发光的增强频谱 在相同的注入电流下 金属层与发 光层之间没有欧姆接触时 表面等离激元能够增强l e d 的发光强度 17 1 如图1 6 所示 鬻蘩渊 闺 r i a l 麴网 网 r i l a l j p g a n 豹 莎a l g a n s q wi n g a n n g a n n u c l e a t i o ni a v e r 西 v 2 0 五 c 旦1 0 c 一 1 2 1 i b i b w a v e l e n g t hi i l m l 一一1 1 b 0 一么 二1 o 毒 导 r 4 1 04 3 04 5 04 7 04 9 0 w a v e l e n g t h n m a 图1 6y e h d o n g m i n g 研究实验 a 实验结构 b 不同样晶对发光的影响 山东大学硕士学位论文 1 4 论文研究内容 本论文以偶极子模拟了l e d 的发光情况 并研究了一维金属光栅与其之间 的作用 利用等离激元耦合 提高偶极子辐射及出光面的辐射 通过改变光栅的 占空比及偶极子的方向 可以获得不同的增强倍数 本文的主要内容安排如下 第一章综述了表面等离激元的形成 发展 和利用其提高l e d 发光效率的 研究进展 第二章首先分析了金属内自由电子本身的运动及外加电场对其的影响 介绍 了几种描述金属色散的模型 在此基础上 推导出表面等离激元只能以t m 模式 存在 接下来探讨了等离激元的几个重要特征参数和其激发方式 此外 以金属 纳米棒为例表明了局域化等离激元的存在和性质 第三章对电磁场数值计算进行了介绍 重点介绍了时域有限差分方法的公式 推导 边界条件 稳定性和源的设置 第四章是本论文的重点 详细仿真了偶极子源与一维银光栅之间的耦合作 用 与银膜做对比 计算了在不同的偶极子方向及光栅占空比情况下偶极子辐射 及远场的增强倍数 得到了较好的效果 第五章为论文内容的总结与展望 山东大学硕士学位论文 第二章表面等离激元理论 2 1 金属的色散模型 金属中存在大量自由电荷 光波对金属的作用主要来自光波随时问与空问作 周期性变化的电场与磁场对金属中的电荷产生影响 导致电荷密度在空间分布中 的变化以及能级跃迁与极化等效应 这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁 场耦合在一起 形成新的电磁场 并以散射 吸收 折射 色散或电磁波能流重 新分布等方式 表现出各种不同的光学现象 一般金属都具有微晶结构 金属中的证离子按照一定的方式排列成各种晶体 点阵 而原子中的自由电子可以在晶体点阵间作无规则的热运动 自由电子满布 在金属内 与容器内的气体分子很相似 所以这些自由电子也称为电子气 在外 加电磁场的作用下 金属中的自由电子沿着与电场相反的方向移动 并在运动过 程中与原子核及晶格缺陷产生碰撞效应 并非所有电子都是沿着同一方向做等速 运动的 而且速度也不会在外加电场的作用下而不断增加 因此对于会属内部自 由电子的运动状态 需要有一定的物理模型来描述 为了进行光学仿真 需要选 择合适的色散模型来描述金属的介电系数 常用的色散模型有d e b y e 模型 1 8 1 l o r e n t z 模型 d r u d e 模型 1 9 以及各种模型的修正形式 2 1 1 d e b y e 模型 1 9 1 2 年 p d e b y e 改进了爱因斯坦模型 把原子排列成晶体点阵的固体看作 是一个连续弹性媒质 原子问的作用力遵从胡克定律 组成固体的n 个原子在三 维空间中集体振动的效果相当于3 n 个不同频率的独立线性振子的集合 每一个 独立谐振子的振动是一种简正振动模式 弹性媒质的一种简正振动模式是具有一 定频率 波长和传播方向的弹性波 弹性固体能够以不同的速度传播纵 横两种 波 对于每一个振动频率 纵波只有在传播方向的一种振动 横波有两种垂直于 传播方向的振动 两个偏振 共三个振动模式 为把固体看作是连续的弹性媒 质 d e b y e 模型只考虑那些频率非常低 近似取为零 直到极限频率范围内的振 动模式 根据量子论 d e b y e 所考虑的弹性波的简正振动能量也是量子化的 是最小 能量五v 的倍数 弹性波的这一最小能量称为声子 它是固体原子系统的集体激 发模式 可看作是在点阵中传播的具有一定能量和运动方向的准粒子 d e b y e 方程式为 如h 卜i r 7 磊 o 2 1 1 其中 乞和气分别为静态和频率无限大时的介电系数 为弛豫时间常数 d e b y e 模型不能用于以下几种情况 1 较复杂的分子 特别是高度各向导 性晶体 前述的频率分布函数不适用时 2 波长同点阵问距离可比拟 破坏了 连续媒质的设想时 3 极低温度下 电子参与对热容贡献并起主要作用时 由d e b y e 模氆得到的结果与实验数据较为接近 但不完全一致 实验发现 与温度有关 这说明德拜模型只是一个较好的近似理论 2 1 2l o r e n t z 模型 1 9 世纪物理学家l o r e n t z 研究了原子领域内的相互作用 提出了l o r e n t z 模 型 他把固体看成是很多振子的组合 这些振子可以在光的电磁辐射作用f 受迫 振动 假定电磁波在x 方向上偏振 电子束缚在其平衡位置附近来回振动 电子 受到三种力的作用 一是回复力 回复力正比于电子离开平衡位置的距离x 该 力可以写成一 z 2 万 2 x 二是阻尼力 正比于电子速度d x d t 可以写成 2 7 r m a d x d t 三是电磁场的作用 正比于电场强度的振幅磊 可以写成 叩毛e x p i 2 n v t 由此可得电子的运动方程为 m 窘 2 7 r m a 瓦d r m 2 1 c v o 2 x e e 0 e x p 加以 2 1 2 其中m 是电子质量 人是阻尼系数 是振子的特征频率 v 是电磁波的频 率 e 为电子电荷 在物理上这个模型可看作以原子核位置为中心的电子云在振 动 电子云质心位置为i 并且假定每个电子的运动与固体中其它电子的运动无 关 2 1 2 式的解为 一善4 7 cm 桀耥印x p 洳 2 2 瑶一y 2 2 人2 y 2 叩v 一 7 i j7 1 4 山东大学硕士学位论文 假设电子密度为 则极化率为 一n e x v 一一 e oe x p i 2 r v t 复介电系数乞 以 因此可以得到相对介电常数 2 1 4 g y l 砑n e 面2 万了嵋而 v 2 2 1 5 理论上考虑了金属的所有本征频率后 该模型可以完全描述金