表面等離激元在光電探測中的應(yīng)用及熱電子機理研究.pdf

1、作為光電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心元件之一，光電探測器因其響應(yīng)快、精度高、體積小、功耗低及非接觸測量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于國計民生的各個領(lǐng)域。但因自身探測原理的限制，傳統(tǒng)光電探測器只能分辨光強信息，無法單獨分辨入射光的波長，偏振，入射角度等信息，需要與偏振片、濾色片等光學(xué)元件相結(jié)合才能實現(xiàn)，不利于光電探測向多功能化，集成化，芯片化的方向發(fā)展。因此，需要不斷的提出新概念，新結(jié)構(gòu)，新工藝，新材料來解決目前探測器發(fā)展過程中遇到的困難與瓶頸。表面等離激

2、元光子學(xué)是隨著納米科學(xué)與技術(shù)發(fā)展而形成的一門新興科學(xué)，主要研究亞波長金屬納米結(jié)構(gòu)獨特的光學(xué)特性及其在納米尺寸上對光的操控。通過改變亞波長結(jié)構(gòu)的形狀，材料，分布以及所處的介電環(huán)境可以對表面等離激元的共振波長、場增強因子、場分布、輻射等特性進(jìn)行有效調(diào)控。因此表面等離激元在物理，化學(xué)，生物，光電子器件等眾多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。
　　本論文的研究目的在于探索研究表面等離激元金屬納米結(jié)構(gòu)及其熱電子效應(yīng)在實現(xiàn)新型光譜可調(diào)、偏振敏感光電探測器

3、的工作機理與應(yīng)用可行性，在此基礎(chǔ)上研究金屬/介質(zhì)或者金屬/半導(dǎo)體復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的光電特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　本文主要圍繞兩個方面開展工作:一是利用表面等離激元結(jié)構(gòu)調(diào)控不同波長和偏振態(tài)下的光透射/吸收;二是利用表面等離激元結(jié)構(gòu)共振衰減產(chǎn)生的熱電子實現(xiàn)光電探測響應(yīng)光譜的拓寬。具體的研究成果包括以下幾個方面:
　　(1)研究了周期性亞波長金屬光柵的狹縫內(nèi)壁形狀的變化對于不同偏振入射光的（TE/TM入射光）的透射率影響以及透射消光比的影

4、響，發(fā)現(xiàn)凸曲面內(nèi)壁的狹縫光柵不僅具有較高的消光比，還具有較高的光透射率。同時提出利用周期性金屬光柵與硅形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在近紅外波段的偏振敏感吸收，并詳細(xì)研究了光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對于吸收偏振消光比的影響，為后期實現(xiàn)基于硅基的近紅外偏振敏感探測提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計方案。
　　(2)設(shè)計出幾種基于“亞波長金屬光柵-介質(zhì)層-金屬基底”結(jié)構(gòu)的多波段窄帶完美吸收體。通過建立數(shù)值仿真模型，研究了完美吸收結(jié)構(gòu)的多波段窄帶吸收的原因機制，同時研究了結(jié)構(gòu)

5、參數(shù)和材料參數(shù)的變化，對于整體結(jié)構(gòu)吸收光譜的影響。另外還設(shè)計了一種基于錐形納米錐陣列基底的多層結(jié)構(gòu)(ITO-ZnO-Au)，實現(xiàn)了可見光范圍內(nèi)的寬波段吸收，并且利用陽極氧化鋁工藝制各出此種結(jié)構(gòu)，其實驗吸收光譜與模擬結(jié)果吻合。
　　(3)研究了金納米顆粒在拓展IGZO光電晶體管的響應(yīng)光譜的作用，并且通過分析不同光照條件下的瞬態(tài)光電流上升沿和下降沿的突變現(xiàn)象，從側(cè)面驗證了金納米顆粒中的等離激元誘導(dǎo)熱電子注入到了IGZO溝道中，并對其相

6、應(yīng)的現(xiàn)象做了理論解釋。最后揭示了背柵電壓對于熱電子注入效率的影響規(guī)律，隨著背柵電壓的增強，熱電子注入效率有上升的趨勢。
　　(4)設(shè)計并實現(xiàn)了金納米結(jié)構(gòu)（顆粒和薄膜）與微米級硅金字塔的異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測器，闡釋了微米級硅金字塔結(jié)構(gòu)和金納米顆粒尺寸對于器件性能的影響規(guī)律。微米級硅金字塔結(jié)構(gòu)相對平面硅基結(jié)構(gòu)來說，增強了金納米結(jié)構(gòu)的光吸收，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。金納米顆粒的大小不僅影響整體結(jié)構(gòu)的光吸收，也影響熱電子的注入效率，二者之間要