提高LED發(fā)光效率的研究

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙摘 要表面等離子體(Surface plasmons，SPs)是近年來(lái)國(guó)際上研究的一個(gè)熱點(diǎn)SPs具有空間局域性，局域場(chǎng)增強(qiáng)等特點(diǎn)，可以用來(lái)增強(qiáng)發(fā)光二極管(Lightemitting diode，LED)的發(fā)光效率。利用表面等離子體場(chǎng)局域性質(zhì)，在共振時(shí)SPs有很高的態(tài)密度，這能夠影響發(fā)光中心的輻射速率，提高發(fā)光中心的內(nèi)量子效率；并且可以制作合適的結(jié)構(gòu)，控制光的出射方向，提高發(fā)光二極管的提取效率近年很多研究小組研究了SPs增強(qiáng)發(fā)光效率的物理機(jī)理，并得到一些很好的結(jié)果，本文對(duì)現(xiàn)階段的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述關(guān)鍵詞: 發(fā)光二極管 表面等離激元 金屬光柵第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論

2、文）專用紙AbstractSurface plasmons is a hotspot of research in recent yearsSurface plasmons have some particular characteristics such 0,8 electric field localization and electric field enhancementThese characteristics Can beused to enhance emi船ion of lightemitting diodeBecause of，electric field localizat

3、ion，SPs has large density of states when excitedThis can influence the radiation rate of exciton and improve the quantum yieldThe direction of radiation and the efficiency of LED can be controled by appropriate configurationMany research groups have investigated the phyrsical mechanism of enhance em

4、ission using SPs in recent years and get some great resultsThe development of enhanced emission of lightemitting diode using surface plasmons is reviewedKeywords: Lightemittingdiode Surfaceplasmon Metalgrating第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙1 緒論1.1 研究背景光二極管 (Light Emitting Diode，LED)是一種可將電能轉(zhuǎn)換為光能的有源電子器件，屬于電致發(fā)

5、光固態(tài)光源，被認(rèn)為是最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種綠色照明光源。與傳統(tǒng)的光源相比，具有體積小、壽命長(zhǎng)、電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是下一代照明的理想選擇。各種類型的LED、利用LED 作二次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品及與LED 配套的產(chǎn)品 如白光LED 驅(qū)動(dòng)器 發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷上市，已發(fā)展成不少新型產(chǎn)業(yè)。展望將來(lái) ，還期望更進(jìn)一步地提高LED的發(fā)光效率。自從LED發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，技術(shù)上已取得了很大的進(jìn)步?，F(xiàn)在的LED光強(qiáng)達(dá)到燭光級(jí)，壽命達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)，輻射光的顏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，而且這種趨勢(shì)還在進(jìn)一步發(fā)展之中。專家預(yù)計(jì) LED未來(lái)將取代白熾燈、 熒光燈

6、而成為新一代照明光源。然而目前仍存在發(fā)光效率不高、成本高等問(wèn)題。雖然光通量可以通過(guò)增加輸入功率來(lái)獲得，但同時(shí)又面臨器件溫升效應(yīng)的問(wèn)題。因此通過(guò)其它途徑來(lái)增加 LED的發(fā)光效率， 成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。由于半導(dǎo)體折射率很高，由于全反射等因素，有源層產(chǎn)生的光絕大部分在LED內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能白白損耗掉了，能夠輻射到自由空間的光占很小部分，使傳統(tǒng)LED的出光效率仍然很低，因此提高LED的出光效率在節(jié)能減排的今天具有重要的意義。第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們往往采用表面粗化、光子晶體、圖像化襯底、倒裝技術(shù)等方法改善光在LED不同材料界面產(chǎn)生的反射，這些方法對(duì)于提高LE

7、D的出光率是非常有效的。1.2 表面等離激元的研究現(xiàn)狀金屬中存在自由電子，當(dāng)電磁波入射到金屬表面時(shí)，金屬表面兩側(cè)的電場(chǎng)的垂直分量不連續(xù)，自由電子局部會(huì)聚集在金屬表面，隨電場(chǎng)的變化而振蕩，當(dāng)電子的振蕩頻率和入射電磁波的頻率一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，外來(lái)的電磁場(chǎng)能量被吸收，這種特殊的電磁模式被稱為表面等離激元。對(duì)于平坦的金屬/介質(zhì)表面，局部聚集的自由電子受到平行于金屬表面的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，會(huì)以疏密波的形式沿著金屬表面?zhèn)鞑?，局域于有限空間的電子會(huì)造成局部電磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象。表面等離激元沿著表面?zhèn)鞑?，而在垂直于該表面的法向上呈指?shù)衰減。光波與粗糙金屬表面或金屬納米結(jié)構(gòu)的禍合，則表現(xiàn)為局域化的表面等離激元，它的突

8、出特點(diǎn)之一是巨大的局部場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，使得近場(chǎng)外圍內(nèi)的介質(zhì)對(duì)外界電磁場(chǎng)的響應(yīng)呈現(xiàn)獨(dú)特的線性或非線性效應(yīng)，如在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的光吸收、光散射、發(fā)光和二次及三次諧波發(fā)生等，使能量傳輸和轉(zhuǎn)換效率得到大幅度提高。而當(dāng)改變金屬表面結(jié)構(gòu)時(shí)，sPs的性質(zhì)、色散關(guān)系、激發(fā)模式、耦合效應(yīng)等都將產(chǎn)生重大的變化。通過(guò)SPs與光場(chǎng)之間的相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光傳播的主動(dòng)操控。表面等離子體光子學(xué)已成為一門(mén)新興的學(xué)科，它的原理、新穎效應(yīng)以及機(jī)制的探究，都極大地吸引研究者們的興趣。1.2.1 表面等離子的概念表面等離子體（Surface Plasmons，SPs）是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿

9、著金屬表面第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙傳播的電子疏密波。其產(chǎn)生的物理原理如下：如作圖所示，在兩種半無(wú)限大、各向同性介質(zhì)構(gòu)成的界面，介質(zhì)的介電常數(shù)是正的實(shí)數(shù)，金屬的介電常數(shù)是實(shí)部為負(fù)的復(fù)數(shù)。根據(jù)maxwell方程，結(jié)合邊界條件和材料的特性，可以計(jì)算得出表面等離子體的場(chǎng)分布和色散特性。圖1.1 金屬膜與電介質(zhì)表面間的等離子體振蕩一般來(lái)說(shuō)，表面等離子體波的場(chǎng)分布具有以下特性：1.其場(chǎng)分布在沿著界面方向是高度局域的，是一個(gè)消逝波，且在金屬中場(chǎng)分布比在介質(zhì)中分布更集中，一般分布深度與波長(zhǎng)量級(jí)相同。2.在平行于表面的方向，場(chǎng)是可以傳播的，但是由于金屬的損耗存在，所以在傳播的過(guò)程中會(huì)有衰減

10、存在，傳播距離有限。1.表面等離子體波是在兩種界面附近存在的波，界面兩側(cè)的折射率分布對(duì)場(chǎng)分布有很大的影響，利用這一點(diǎn)能夠進(jìn)行第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙傳感。目前利用Kretschmann結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物傳感的技術(shù)已經(jīng)得到了極大的發(fā)展，這種傳感技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需標(biāo)記物，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品結(jié)合過(guò)程，傳感芯片可重復(fù)利用，響應(yīng)速度快等諸多特點(diǎn)。目前該技術(shù)可用于氣體、 液體和有機(jī)薄膜等分析，目前主要用于生命科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上主要產(chǎn)品有瑞典Biocore AB公司生產(chǎn)的Biocore 3000等。2.表面等離子體波具有局域分布的特性，由于光學(xué)衍射極限的存在，傳統(tǒng)的成

11、像技術(shù)不可能突破可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍。使得表面等離子體波能夠應(yīng)用于制作亞波長(zhǎng)量級(jí)的光電子器件的生產(chǎn)，有利用光電子集成器件的制作。例如：可以制作亞波長(zhǎng)量級(jí)的波導(dǎo)，亞波長(zhǎng)量級(jí)的布拉克反射鏡,亞波長(zhǎng)量級(jí)的透鏡等。由于能夠突破極限，所以能夠應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)來(lái)做近場(chǎng)顯微鏡，做曝光等等。 2000年，Pendry引進(jìn)“超透鏡”的概念，通過(guò)激發(fā)SPs來(lái)增強(qiáng)隱失波，利用銀制作的超透鏡，可以得到60nm分辨率的圖像，突破了光學(xué)的衍射極限。第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙圖1.2 傳統(tǒng)的納米光刻蝕技術(shù)和基于超透鏡的SPs光納米刻蝕性能的比較（a）傳統(tǒng)的納米刻蝕技術(shù)； （b） 利用SPs的納米刻蝕技術(shù)

12、由圖1.1可見(jiàn)，采用SPs的納米刻蝕技術(shù)比傳統(tǒng)的光刻蝕技術(shù)的分辨率提高了很多。傳統(tǒng)的光刻蝕技術(shù)分辨率約為320nm，采用了SPs后，分辨率可以提高4倍。當(dāng)光子元件尺寸笑道可與光波長(zhǎng)相比擬時(shí)，由于衍射極限的存在，光的傳播受到阻礙，目前電子電路可以制作出100nm以下的尺寸了。但是光子回路的尺寸仍保持在1000nm量級(jí)?；赟Ps的光子器件作為走出這一困境提供了機(jī)遇，在亞波第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙長(zhǎng)尺度的金屬結(jié)構(gòu)中光場(chǎng)局域化合導(dǎo)波的可能性，可應(yīng)用于構(gòu)建亞波長(zhǎng)光子元件等離子體光子芯片。為了使SPs在光子回路中取得良好的傳輸距離，人們已經(jīng)研究出各種等離子激元導(dǎo)波，例如金屬光子晶體

13、，薄金屬條，金屬納米粒子鏈，金屬納米棒等。50-100nm大小的金屬鏈傳輸距離在納米以內(nèi)，而隧道型結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)等離激元導(dǎo)波可使傳輸距離達(dá)到微米量級(jí)?？刂票砻娴入x激元能力的傳輸，使得它適合于實(shí)現(xiàn)集成光子回路中信息的傳播等離子光子芯片具有輸入和輸出端口，而這些端口可以通過(guò)SPPs禍合器，避免將遠(yuǎn)場(chǎng)光直接禍合到芯片中的光電子器件上。將半徑為離可達(dá)到的1/4圓周排列的金屬納米顆粒與SPPs波導(dǎo)整合在一起，當(dāng)聚焦的SPPs饋送進(jìn)禍合器時(shí)，傳播距，如圖1.3所示。第 8 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙圖 1.3 SPPs與銀窄條波導(dǎo)的禍合(a)納米點(diǎn)聚焦陣列 (b)SPPs強(qiáng)度分布5.表面等離子體

14、波在太陽(yáng)能電池和LED等新型能源相關(guān)器件方面的應(yīng)用。目前可以在太陽(yáng)能電池上利用表面等離子體效應(yīng)來(lái)提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同樣也可以在LED上應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)提高其出光效率。如果能研制出商業(yè)化的產(chǎn)品，那么對(duì)于解決人類的能源問(wèn)題，表面等離子體波也能貢獻(xiàn)自己的一份力量。第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙此外，SPPS還應(yīng)用于制作各種調(diào)制器和開(kāi)關(guān)、亞波長(zhǎng)光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域，顯示了廣闊的應(yīng)用前景1.3 研究目的及意義目前半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED已成為各種固態(tài)發(fā)光器件的重要部分，但是也面臨著發(fā)光效率低的困境。半導(dǎo)體折射率比空氣高，使得發(fā)光層產(chǎn)生的光只有很小一部分輻射到自由空間，大部分的

15、光經(jīng)過(guò)多次全反射之后被電極或發(fā)光層吸收了。LED的發(fā)光效率還有很大的提升空間。利用等離激元提高LED發(fā)光效率是光可以激發(fā)表面等離激元，通過(guò)合理的金屬表面結(jié)構(gòu)，再以光的方式輻射出去，從而提高LED的量子效率。隨著等離激元理論的深入研究，很多研究者利用SPPS來(lái)提高LED的發(fā)光效率，取得了明顯的發(fā)光增強(qiáng)效果。2004年，Okamoto等用inGaN半導(dǎo)體量子阱作為發(fā)光層，在上面蒸鍍了一層金屬薄膜，與沒(méi)有加金屬的情況下量子阱發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比，可獲得最多14倍的發(fā)光增強(qiáng)效果，如圖1.4所示。第 10 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙圖1.4 2004年Okamoto利用金屬薄膜增強(qiáng)量子阱發(fā)光（a）

16、實(shí)驗(yàn)裝置；（b）不同金屬對(duì)發(fā)光增強(qiáng)的影響 為進(jìn)一步利用SPPs提高LED發(fā)光效率，2007年Okamoto等在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在圖1.5 Okamoto的進(jìn)一步研究結(jié)果第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙（a） 實(shí)驗(yàn)中金光柵； （b）不同周期的光柵的影響 2006年 chenchengyen等利用金屬的擴(kuò)散，形成金屬納米顆粒中心密度大，周圍逐漸降低的結(jié)構(gòu)，通過(guò)探測(cè)不同區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度，研究了不同的金屬形貌對(duì)發(fā)光增強(qiáng)效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，金屬顆粒密度大的區(qū)域發(fā)光效率高，因?yàn)榇藚^(qū)域會(huì)產(chǎn)生更多的表面等離激元與發(fā)光層相互作用，更有效的滿足相位匹配條件，使表面等離激元能量輻射圖1.56

17、Chen Chengyen研究實(shí)驗(yàn)（a） 金屬顆粒分布； （b）不同形貌對(duì)發(fā)光的影響 2007年、 hDongming等在接近實(shí)際使用的InGaN半導(dǎo)體量子阱LED內(nèi)利用表面等離激元獲得了光致發(fā)光的增強(qiáng)頻譜，在相同的注入電流下，金屬層與發(fā)光層之間沒(méi)有歐姆接觸時(shí)，表面等離激圖 1.7 Yeh Dongming研究實(shí)驗(yàn)（a）實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu); (b) 不同樣品對(duì)發(fā)光的影響第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙2. 表面等離子體及基本特征表面等離子體激元就是局域在金屬表面的一種由自由電子和光子相互作用形成的激發(fā)態(tài)倏逝波。在這種相互作用中，自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發(fā)生集體振蕩。這種表面

18、電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用就構(gòu)成了具有獨(dú)特性質(zhì)的SPPs。表面等離子體激元的電磁場(chǎng)局限于介質(zhì)表面，依靠改變導(dǎo)體表面的性質(zhì)，可以改變表面等離子體激元的性質(zhì)，這就為研制新型的光子學(xué)器件提供了的途徑。同時(shí)，SPPs理論在亞波長(zhǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用解釋了很多傳統(tǒng)光學(xué)難以解釋的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)(Scanning Near-Field Optical Microscopy，SNOM)的發(fā)展，使直接在材料表面觀測(cè)SPPs變?yōu)榭赡?，這極大促進(jìn)了表面激元的研究。作為當(dāng)前非常前沿和熱門(mén)的研究領(lǐng)域，以亞波長(zhǎng)金屬微結(jié)構(gòu)為主體的表面等離子體亞波長(zhǎng)光學(xué)，主要是利用其在光學(xué)中電磁波通過(guò)金屬微結(jié)構(gòu)可超衍射

19、傳輸和微納米尺度上能量局域匯聚放大等特征。的光電轉(zhuǎn)換效率包括兩部分：內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率是指電子空穴對(duì)在結(jié)區(qū)復(fù)合產(chǎn)生光子的效率；外量子效率指將結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光子引出了后的總效率。設(shè)的外量子效率為ex，可用下式表示：hex=hinCex （2-1-1）第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙其中：in是內(nèi)量子效率；Cex是逃逸率。的內(nèi)量子效率與外量子效率之間存在巨大的差距。一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的內(nèi)量子效率可以達(dá)到以上，而它的外量子效率卻非常有限，這是因?yàn)閑x非常低的緣故，而這主要是由結(jié)區(qū)的特點(diǎn)所決定的。的襯底對(duì)光的吸收非常嚴(yán)重，另外它的折射率也很高，導(dǎo)致封裝時(shí)的光全反射角很小，影響

20、了出光效率。不能出射的光在結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)換為熱能，提高了結(jié)溫，使晶格震動(dòng)加劇，影響了內(nèi)部量子效率，也使的壽命大打折扣。發(fā)光二極管有兩大類，一類是有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光二極管(OLED)；另一類是聚合物發(fā)光二極管(PLED)。 兩類發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)制都是通過(guò)電極分別注入電子、空穴，電子、空穴在發(fā)光層復(fù)合產(chǎn)生激子，激子 能量衰減輻射光。發(fā)光二極極中，能量損耗主要存在于兩個(gè)方面：第一個(gè)方面的損耗是當(dāng)注入載流予在發(fā) 光層中耦合發(fā)光時(shí)，并不是所有的注入能量都能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾?，一部分激子能量?jīng)過(guò)晶格振動(dòng)、深能級(jí)雜質(zhì)躍遷等非輻射躍遷過(guò)程被損耗掉，可以用內(nèi)量子效率描述這個(gè)過(guò)程的能量損耗；內(nèi)=Gr/(Gr+Gn)，其 中。Gr

21、和Gnr，分別表示輻射躍遷速率和非輻射躍遷速率；第二個(gè)方面的損耗是由于半導(dǎo)體發(fā)光材料的折射 率都比較大，光從半導(dǎo)體材料進(jìn)入空氣時(shí)，全反射角很小。當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光材料中產(chǎn)生光子后，只有小部分光從全反射角以內(nèi)輻射，大部分光在全反射角之外，經(jīng)過(guò)數(shù)次全反射后被吸收了。如果認(rèn)為全反射角度以內(nèi)的光能夠沒(méi)有損耗的進(jìn)入空氣中，光能從半導(dǎo)體材料進(jìn)入空氣中的能量也只有1/2n2,對(duì)發(fā)光層是GaAs 半導(dǎo)體材料(n=35)大約只有5的能量能夠進(jìn)入空氣中，如果考慮實(shí)際情況，在全反射角角度內(nèi)還存在菲涅耳反射的損耗，這結(jié)果將更小?？梢杂猛饬孔有蔬低鈦?lái)描述這個(gè)過(guò)程的損耗。發(fā)光二極管整體的發(fā) 光效率為=*內(nèi)外 （2-1-2）第

22、 14 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 20 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙3 一維金屬光柵在表面等離子體原理中的應(yīng)用根據(jù)經(jīng)典理論,光波在狹縫中的透過(guò)

23、率都正比于狹縫尺寸與入射波長(zhǎng) 比值 的 4次方 ， 所 以亞波長(zhǎng)金屬狹縫的透過(guò)率 是極低的 Eb b e s e n等 發(fā)現(xiàn)當(dāng)一束光垂直通過(guò)周期性小孔陣列的金屬銀膜時(shí)在某些特定的波長(zhǎng)上 P偏振光有異常的透過(guò)增強(qiáng)他們給出的解釋是金屬表面的周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了表面等離子激元共振 理論和實(shí)驗(yàn)證 明， 多種亞波長(zhǎng)金屬微結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射光的異常透射效果 ， 其中包括具有亞波 長(zhǎng)狹縫的金屬薄膜、 帶有光柵的金屬薄膜結(jié)構(gòu)等， 這 對(duì)光學(xué)超分辨領(lǐng)域 的研究起到了極 大的推動(dòng)作用 這種金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的增透效應(yīng)在超分辨率納米光 刻 、 近場(chǎng)光學(xué)、 高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng) 用潛力 已有的研究主要側(cè)重于表面等離

24、子體波耦合激 發(fā)現(xiàn)象的分析 以及亞波長(zhǎng)器件的設(shè)計(jì)L 3 書(shū) S P Ps波是金屬激發(fā)的表面波 ， 并能在金屬一 介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，其原理是由于金屬表面電子在外加 TM 偏振光作用下發(fā)生了極化 表征 S P Ps波的一個(gè)重要特性是 ： 激發(fā)出的 S P Ps波的波矢 比自由空問(wèn)的波矢大 ， 因 此 S P Ps波具有超分辨的特性第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 27 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙利用式 (3-1-4)、 （3-1-5）計(jì)算 得到金屬材料 的 和 如 圖 2所示 ， 介質(zhì)材料 選擇為空氣， 結(jié)合金最大 ， 這

25、意味著在垂直 于界面的方向S P W 衰屬材料 的反射曲線 ， 當(dāng)波長(zhǎng) 大 于 4 5 0 n m 時(shí)， 鋁( A1 ) 的減最緩慢 ， 相對(duì)而言更容 易耦合 ， 但鋁膜的見(jiàn)光及近紅外波段具 有最小 的吸收損耗 遠(yuǎn)小于銀( Ag ) 膜 ， 所以鋁膜對(duì) S P W 的吸收較大， 而銀膜在可由圖3.2可知 ， 在亞波長(zhǎng)金屬薄膜微結(jié)構(gòu)中， 金屬 銀 的特性最佳 ， 尤其當(dāng)狹縫較深時(shí)， 銀是首選的金屬 材料 在紅外波段金 ( Au ) 具有 比較好的性質(zhì) ， 是一 種可選的材料 在下面的金屬亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)中 ， 使用金屬材料均是銀圖3.2 光波在4中重要金屬薄膜中的傳播特性第 28 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢

26、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙3.2 金屬表面微結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究的結(jié)構(gòu)多屬一維或二維陣列 的金屬微結(jié)構(gòu) 由于條件的限制 ， 本文暫對(duì)一維 的薄膜金屬微結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究一維薄膜金屬微結(jié)構(gòu)是指金屬狹縫與一維金屬光柵 已有研究證明， 亞波長(zhǎng)金屬狹縫在一維金屬光柵輔助下可以實(shí)現(xiàn)超常透 射和對(duì)出射光遠(yuǎn)場(chǎng)分布的控制 亞波長(zhǎng)線性狹縫結(jié)構(gòu)如圖 3.3所示 ， 狹縫寬度為 ， 狹縫深度為 t ， 光柵周期為 d， 光柵深度為 h， 狹縫 單側(cè)的光柵周期數(shù)為 N， 下標(biāo) 0代表入射面， 1代表 出射面 本文借助于人射光透射 的 3個(gè)步驟 ， 以波長(zhǎng) 為1050nm的 P偏振為例 ， 來(lái)透射的 3步驟分為： 1 ) 耦合輸入

27、 函數(shù)表示入 射光在亞波長(zhǎng)孔徑的人 口處轉(zhuǎn)變?yōu)橘渴挪ǖ目偭浚?即透射增強(qiáng)作用 ； 2 ) 倏逝波受小孔截止 函數(shù)的影響 在傳輸過(guò)程 中呈指數(shù)形式衰減 ； 3 ) 在 出射界面耦合 輸出函數(shù)決定了倏逝波轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚鞑ゲǖ男问?， 即 控制出射光的遠(yuǎn)場(chǎng)分布 采用時(shí)域有 限差分 ( FDTD) 法， 將計(jì)算 區(qū)域沿 z、 y方 向分成400400網(wǎng)格單元 ，Dx,Dy分別為 網(wǎng)格單元沿 x、方 向上的長(zhǎng)度Dx=Dy=20nm時(shí)間增量Dt=Dx/(2c) 計(jì)算中上下邊界采用各向 異性介質(zhì)完全匹配層的吸收邊界， 左右邊界采用周期性邊界條件 ， 研究其線性凹槽結(jié)構(gòu)的透射能流3.3 入射面光柵對(duì)亞波長(zhǎng)金屬狹縫

28、的透射增強(qiáng)作用如圖3. 4 ( a ) 所示 ， 在獨(dú)立懸浮的銀膜可知在光柵表面 能夠激發(fā) S P Ps 由于人射 波長(zhǎng)為1050n m， 根據(jù)金屬光柵 S PP s耦合公式第 29 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 30 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙第 31 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙4小 結(jié)本文介紹了利用表面等離子體增強(qiáng)發(fā)光二極管的發(fā)光效率的原理以及近年來(lái)的研究成果。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明，利用金屬表面產(chǎn)生的SPPs的特殊性質(zhì)可以影響有機(jī)發(fā)光二極管(LED)和無(wú)機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的發(fā)光過(guò)程。但是，SPPs影響發(fā)光二極管發(fā)光過(guò)程的物理機(jī)理還有待深入研

29、究，增強(qiáng)發(fā)光效率的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用SPPs的特殊性質(zhì)，可以有效提高發(fā)光效率，雖然現(xiàn)階段的研究離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，但它為提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率指出了一條切實(shí)可行的道路。隨著物理機(jī)理研究的深入、結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，SPPs提高發(fā)光效率的技術(shù)將應(yīng)用于發(fā)光二極管，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。高亮度發(fā)光二極管必將成為新一代的照明光源。表面等離激元在納米光子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中顯示出的重大價(jià)值引起人們的重視，在新型光源、亞波長(zhǎng)光學(xué)、光存儲(chǔ)、新型芯片等領(lǐng)域具有廣闊的前景。要使表面等離激元亞波長(zhǎng)光子器件具有真正的實(shí)用價(jià)值，該領(lǐng)域的很多問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。進(jìn)一步提高表面等離激元提取出光的效率，弄清等離激元在各領(lǐng)域應(yīng)用的物理機(jī)制是十分必要的，這樣才能設(shè)計(jì)出各種新型的高效光子器件。第 32 頁(yè) 共 34 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙參考文獻(xiàn)1 Fred S ELithtEmitting DiodesMCambridge，UK：Cambridge UnivPress2 Zukauskas A，Shut M S，Gaska RIntroduction to Solid-State LightMNew York：Wiley.3 Koike M，Shibata N，