利用金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)LED發(fā)光的FDTD數(shù)值模擬研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代光電子器件的基本結(jié)構(gòu)之一，半導(dǎo)體器件中金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)的作用下更是具有一系列與表面等離激元相關(guān)的電磁場(chǎng)強(qiáng)局域、表面拉曼增強(qiáng)、異常光傳輸、電偶極耦合等新奇的物理效應(yīng)，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)深入研究其中的局域耦合增強(qiáng)效應(yīng)和相關(guān)基礎(chǔ)物理問題具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，不但為調(diào)控發(fā)光二極管的光電過程及提高電光轉(zhuǎn)換效率等問題提供了新方向和新方法，同時(shí)還為我國節(jié)能減排工程提供了新思路。研究金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)中的場(chǎng)局

2、域效應(yīng)、能量的傳輸和耦合效應(yīng)等基本物理問題，深刻認(rèn)識(shí)和理解電磁場(chǎng)與金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的傳播、局域和耦合等效應(yīng)的物理規(guī)律，可以為利用金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)提高發(fā)光二極管的效率提供理論指導(dǎo)。特別是通過對(duì)金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)調(diào)控發(fā)光二極管的電光轉(zhuǎn)換，近場(chǎng)局域，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射和異常光傳輸?shù)难芯?，掌握金?介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體量子阱的耦合規(guī)律和調(diào)控發(fā)光二極管增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)制，可以為制備高效率的大功率發(fā)光二極管提供新的思路。
　　 本文緊密圍

3、繞金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)和氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管，以提高發(fā)光效率為目的，以計(jì)算機(jī)模擬仿真和理論分析為手段，研究的主要內(nèi)容包括：⑴通過金屬的色散模型結(jié)合時(shí)域有限差分方法，實(shí)現(xiàn)金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真；⑵通過研究發(fā)光二極管的發(fā)光原理和光電轉(zhuǎn)換過程，探索提高LED發(fā)光效率的途徑和相關(guān)的理論依據(jù)；⑶通過麥克斯韋方程組，推導(dǎo)無限厚度和有限厚度金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)與電磁場(chǎng)相互作用激發(fā)表面等離激元的基本物理性質(zhì)；⑷通過對(duì)金屬納米顆粒的電

4、磁場(chǎng)數(shù)值仿真，研究金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)表面等離激元局域耦合效應(yīng)增強(qiáng)電偶極的發(fā)光效率，并驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的正確性；⑸通過對(duì)金屬薄膜在發(fā)光二極管中的理論分析和電磁場(chǎng)數(shù)值仿真，研究金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)表面等離激元局域耦合效應(yīng)增強(qiáng)發(fā)光二極管發(fā)光的物理過程及增強(qiáng)因子對(duì)金屬薄膜發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)的依賴；⑹根據(jù)金屬薄膜發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度影響的規(guī)律，并結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果，對(duì)銀膜氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

5、⑺通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真，研究金屬-介質(zhì)納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的局域耦合效應(yīng)及其在提高光電轉(zhuǎn)換器件效率中的作用。并緊密結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展過程中與節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，通過在發(fā)光二極管中構(gòu)筑具有特殊場(chǎng)耦合效應(yīng)的金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，在深入研究電偶極發(fā)光和表面等離激元之間相互作用物理機(jī)理及控制規(guī)律的基礎(chǔ)上，探索提高藍(lán)光二極管內(nèi)量子效率的新方法，為實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)提供思路和方向。
　　 本研究的創(chuàng)新工作共分為以下幾個(gè)部分：①通過金屬色散模

6、型實(shí)現(xiàn)了金屬一介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)在發(fā)光二極管中的三維時(shí)域有限差分方法的數(shù)值仿真。針對(duì)倒裝氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管的發(fā)光和材料特性，引入納米金屬薄膜建立了數(shù)值仿真模型，并驗(yàn)證了方法的正確性。②根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光原理和特性分析了各種提高發(fā)光效率的途徑，針對(duì)提高內(nèi)量子效率，通過對(duì)Purcell效應(yīng)和金屬表面等離激元電磁場(chǎng)特性的分析，為金屬表面等離激元增強(qiáng)電偶極發(fā)光提高發(fā)光二極管內(nèi)量子效率建立了理論依據(jù)。③利用金屬納米顆粒使電偶極輻射得到了近千倍的增

7、強(qiáng)，根據(jù)仿真結(jié)果獲得了電偶極輻射增強(qiáng)與金屬納米顆粒的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，獲得了金屬納米顆粒的半徑、長(zhǎng)度、環(huán)境等因素影響輻射增強(qiáng)的規(guī)律，并通過填充電介質(zhì)的方法獲得了更有效控制金屬納米顆粒共振波長(zhǎng)的手段，充分證實(shí)了金屬納米顆粒的表面等離激元不僅可以通過域場(chǎng)應(yīng)用Purcell效應(yīng)引起電偶極輻射增強(qiáng)，而且具有異常光傳輸特性，為金屬-介質(zhì)納米顆粒增強(qiáng)LED發(fā)光奠定了理論基礎(chǔ)。④在無限厚度金屬表面等離激元色散特性的基礎(chǔ)上，對(duì)有限厚度金屬薄膜兩側(cè)為