利用一維金屬光柵提高LED發(fā)光效率的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、表面等離激元在納米光子學中有著重要的地位,隨著理論研究和微加工技術的進步,對支持表面等離激元的金屬微納結構的研究已經形成新的學科方向,近年來表面等離子光學和納米光子器件的研究引起了人們的廣泛關注。電磁波在金屬/介質界面上激發(fā)出電荷密度振蕩,這種振蕩與電磁波形成的混合波稱為表面等離激元,這是一種束縛在金屬/介質表面的表面波,具有近場增強、波長短、表面受限等特點,利用其在亞波長尺度內的局域特性,有可能突破衍射極限,實現微米和納米界面的光學耦

2、合,在新型光源、光存儲、新型芯片、納米光學成像等領域獲得廣泛的應用。
   目前限制GaN基LED在照明領域應用的一個重要因素是它的外量子效率偏低。由于GaN材料與空氣的折射率差別較大,存在界面全反射作用,使LED發(fā)射的光大部分在界面反射回來,形成波導模式困在LED內部,經過多次反射后被LED吸收,這不僅造成能量的大量損耗,而且由于使LED工作在高溫狀態(tài),大大縮短其使用壽命。近年來,人們利用表面等離激元的特性提高LED的發(fā)光效率

3、,并且得到了較好的效果。當納米金屬結構置于發(fā)光層附近時,金屬/介質界面產生的表面等離激元能夠提高發(fā)光層輻射效率。光子能量首先通過近場傳遞到表面等離激元模式,然后轉換成輻射模式。當頻率達到表面等離激元共振頻率時,表面等離激元態(tài)密度變得非常大,這導致了能量從發(fā)光層到表面等離激元的大量傳遞,從而引起輻射的增強。
   本文的內容主要分為以下幾個部分:
   1.討論了光頻段的電磁波對金屬內自由電子運動的影響,并介紹了幾種金屬的

4、色散模型,著重介紹了Drude模型及其修正形式,在此基礎上,對表面等離激元的形成及特性進行了分析,并探討了它的幾個重要特征參數和激發(fā)方式。此外,以金屬納米棒為例表明了局域化等離激元的存在和性質。
   2.介紹了幾種電磁場數值計算方法:矩量法、光束傳播法、有限元法和時域有限差分法,并比較了各方法的優(yōu)缺點,重點討論了時域有限差分方法。
   3.采用三維FDTD方法,實驗模擬了單個偶極子的發(fā)光情況。仿真中以單個偶極子的電場

5、模擬LED發(fā)光層中電子空穴對復合時產生的電場,首先,對三種不同的金屬膜做了對比,銀、會、銅的特性表明,銀膜使偶極子輻射在藍光頻段出現峰值,表明銀更適合于藍光LED的制造中。其次,對銀膜表面的等離激元特性作了分析。銀膜和銀光柵對輻射的影響做了比較,在銀膜上刻痕后生成的光柵結構對輻射增強的影響比銀膜好得多。再次,對不同柵距的光柵進行了分析,選擇合適的柵距。當偶極子置于銀光柵附近時,等離激元在輻射增強過程中起到關鍵性作用,輻射增強效果與偶極子

6、方向和金屬光柵占空比有很大依賴關系,最后,對偶極子不同方向和光柵的不同占空比的情況下進行了仿真分析,在某些波長上偶極子輻射能獲得至少幾十倍的增強。討論了不同銀光柵占空比及偶極子方向對輻射增強的影響,由于局域化等離激元對金屬納米結構形狀敏感,當占空比變化時,會引起不同波長上的遠場輻射增強。在不同的光柵幾何形狀情況下,隨著偶極子方向的變化,當其垂直于銀/氮化鎵界面時,能比其平行于該界面時得到更佳的偶極子輻射及遠場增強效果。這些結果對于利用金

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