利用一維金屬光柵提高LED發(fā)光效率的研究.pdf

1、表面等離激元在納米光子學(xué)中有著重要的地位，隨著理論研究和微加工技術(shù)的進(jìn)步，對支持表面等離激元的金屬微納結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)形成新的學(xué)科方向，近年來表面等離子光學(xué)和納米光子器件的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。電磁波在金屬/介質(zhì)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(zhì)表面的表面波，具有近場增強(qiáng)、波長短、表面受限等特點(diǎn)，利用其在亞波長尺度內(nèi)的局域特性，有可能突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)微米和納米界面的光學(xué)耦

2、合，在新型光源、光存儲、新型芯片、納米光學(xué)成像等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
　　 目前限制GaN基LED在照明領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)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(dǎo)模式困在LED內(nèi)部，經(jīng)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(dāng)納米金屬結(jié)構(gòu)置于發(fā)光層附近時(shí)，金屬/介質(zhì)界面產(chǎn)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(zhuǎn)換成輻射模式。當(dāng)頻率達(dá)到表面等離激元共振頻率時(shí)，表面等離激元態(tài)密度變得非常大，這導(dǎo)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(qiáng)。
　　 本文的內(nèi)容主要分為以下幾個(gè)部分：
　　 1.討論了光頻段的電磁波對金屬內(nèi)自由電子運(yùn)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(chǔ)上，對表面等離激元的形成及特性進(jìn)行了分析，并探討了它的幾個(gè)重要特征參數(shù)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(zhì)。
　　 2.介紹了幾種電磁場數(shù)值計(jì)算方法：矩量法、光束傳播法、有限元法和時(shí)域有限差分法，并比較了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)討論了時(shí)域有限差分方法。
　　 3.采用三維FDTD方法，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了單個(gè)偶極子的發(fā)光情況。仿真中以單個(gè)偶極子的電場

5、模擬LED發(fā)光層中電子空穴對復(fù)合時(shí)產(chǎn)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(lán)光頻段出現(xiàn)峰值，表明銀更適合于藍(lán)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(jié)構(gòu)對輻射增強(qiáng)的影響比銀膜好得多。再次，對不同柵距的光柵進(jìn)行了分析，選擇合適的柵距。當(dāng)偶極子置于銀光柵附近時(shí)，等離激元在輻射增強(qiáng)過程中起到關(guān)鍵性作用，輻射增強(qiáng)效果與偶極子

6、方向和金屬光柵占空比有很大依賴關(guān)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(jìn)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(qiáng)。討論了不同銀光柵占空比及偶極子方向?qū)椛湓鰪?qiáng)的影響，由于局域化等離激元對金屬納米結(jié)構(gòu)形狀敏感，當(dāng)占空比變化時(shí)，會引起不同波長上的遠(yuǎn)場輻射增強(qiáng)。在不同的光柵幾何形狀情況下，隨著偶極子方向的變化，當(dāng)其垂直于銀/氮化鎵界面時(shí)，能比其平行于該界面時(shí)得到更佳的偶極子輻射及遠(yuǎn)場增強(qiáng)效果。這些結(jié)果對于利用金