【摘要】：近年來,金屬局域表面等離子激元共振(LSPR)被證明是提高半導(dǎo)體材料發(fā)光效率的有效方法。當(dāng)半導(dǎo)體中激子/光子的能量與金屬局域表面電子振動能相似時,能量將與局域表面等離子激元(LSP)耦合,輻射到自由空間中。本文通過理論模擬對LSPR耦合效應(yīng)進(jìn)行研究分析,并利用金屬納米顆粒修飾半導(dǎo)體材料,實(shí)現(xiàn)其光致發(fā)光(PL)增強(qiáng),主要研究如下:(1)采用時域有限差分法(FDTD)數(shù)值模擬不同金屬形狀的局域場增強(qiáng)效果。研究證明橢球形納米顆粒相比于立方體、圓柱體和三角棱柱,Purcell增強(qiáng)因子提高了近3.5倍;此外,模擬橢球形、雙球型和雙核殼球型納米顆粒的長軸L、短軸R、環(huán)境材料折射率n和光源距離d等變量對增強(qiáng)因子的影響,實(shí)現(xiàn)不同程度光場增強(qiáng)及共振波長可調(diào)諧。(2)通過理論和實(shí)驗(yàn)分別利用Au納米顆粒LSPR耦合效應(yīng),實(shí)現(xiàn)GaAs薄膜的近場發(fā)光增強(qiáng)。經(jīng)過理論計(jì)算Au納米顆粒的吸收光譜及電場分布,研究分析共振耦合頻率與Au顆粒尺寸之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,通過調(diào)控磁控濺射時間的方式在GaAs薄膜表面制備不同尺寸的Au顆粒,實(shí)現(xiàn)近10倍的PL增強(qiáng)。(3)從理論和實(shí)驗(yàn)上分別利用金屬納米顆粒LSPR耦合效應(yīng),實(shí)現(xiàn)ZnO納米線的近場發(fā)光增強(qiáng)。理論構(gòu)建ZnO微腔光學(xué)模型,利用Ag顆粒對微腔六個面進(jìn)行修飾,實(shí)現(xiàn)局域光場增強(qiáng),并將光場限制效率提高了6.72%。在此基礎(chǔ)上,用制備的Au、Ag納米溶膠對ZnO納米線的表面進(jìn)行修飾,分別實(shí)現(xiàn)紫外本征復(fù)合的發(fā)光增強(qiáng)以及可見缺陷發(fā)光的抑制。(4)通過水熱合成制備銅鎵氧(CuGaO_2,CGO)納米片,并成功制備CGO納米片/ZnO納米線異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過PL測試得到位于392.32nm處的紫外發(fā)光,與純ZnO的PL光譜相比,紫外發(fā)光峰出現(xiàn)紅移及光譜展寬(近2.5倍)等現(xiàn)象。此外,研究發(fā)現(xiàn)p-n結(jié)之間內(nèi)建電場可以產(chǎn)生次帶隙吸收效應(yīng)。這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒共振耦合增強(qiáng)ZnO基光電器件紫外發(fā)光效率提供了一種高性能的p型材料。
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304
【圖文】：

圖 1.1 最早發(fā)現(xiàn) SP 存在：（a）萊克格斯杯圖；（b）教堂玻璃彩色花窗圖屬 SP 的研究可以追溯到 19 世紀(jì)末，1902 年，Wood 觀察并記錄了可見光光柵后，反射光譜的反常衍射現(xiàn)象[3]。1941 年，F(xiàn)ano 首次提出了金屬 SP 為該現(xiàn)象奠定了理論基礎(chǔ)[4]。金屬 SP 的出現(xiàn)提供了一種在納米尺度下處。根據(jù)金屬材料結(jié)構(gòu)形式的不同，金屬 SP 通常可以分成兩大模式：如圖示，局域表面等離子激元（Loclized Surface Plasmon, LSP）和圖 1.2（b面等離極化激元（Surface Plasmon polaritons, SPPs）。納米顆粒吸引人的要體現(xiàn)在金屬 LSPR 耦合應(yīng)用上，LSPR 是由電介質(zhì)包圍的金屬納米顆粒體振蕩而產(chǎn)生的一種光學(xué)現(xiàn)象[5]。典型的等離子激元材料是貴金屬，如 A 等。其中 Ag 的表現(xiàn)比 Au 更清晰、具有更強(qiáng)的 LSPR 帶，但 Au 納米顆定性更高，因此在生物傳感方面有著很好的應(yīng)用前景；而 SPPs 波在金屬播存在較為嚴(yán)重的能量損耗，一般僅在短范圍內(nèi)傳輸。

圖 1.1 最早發(fā)現(xiàn) SP 存在：（a）萊克格斯杯圖；（b）教堂玻璃彩色花窗圖金屬 SP 的研究可以追溯到 19 世紀(jì)末，1902 年，Wood 觀察并記錄了可見屬光柵后，反射光譜的反常衍射現(xiàn)象[3]。1941 年，F(xiàn)ano 首次提出了金屬 S并為該現(xiàn)象奠定了理論基礎(chǔ)[4]。金屬 SP 的出現(xiàn)提供了一種在納米尺度下式。根據(jù)金屬材料結(jié)構(gòu)形式的不同，金屬 SP 通常可以分成兩大模式：如所示，局域表面等離子激元（Loclized Surface Plasmon, LSP）和圖 1.2（表面等離極化激元（Surface Plasmon polaritons, SPPs）。納米顆粒吸引人主要體現(xiàn)在金屬 LSPR 耦合應(yīng)用上，LSPR 是由電介質(zhì)包圍的金屬納米顆集體振蕩而產(chǎn)生的一種光學(xué)現(xiàn)象[5]。典型的等離子激元材料是貴金屬，如Pt 等。其中 Ag 的表現(xiàn)比 Au 更清晰、具有更強(qiáng)的 LSPR 帶，但 Au 納米穩(wěn)定性更高，因此在生物傳感方面有著很好的應(yīng)用前景；而 SPPs 波在金傳播存在較為嚴(yán)重的能量損耗，一般僅在短范圍內(nèi)傳輸。

第 1 章 緒論光強(qiáng)度，比如 GaN 材料、ZnO 材料等。近年來，國內(nèi)外各課題組在此方究并取得了一定的成果。2007 年新加坡研究人員 A.P.Abiyasa 等人研究了金屬 SP 對高度無序 ZnO 激射特性的影響[7]。他們發(fā)現(xiàn)在 120nm 厚的 ZnO 多晶薄膜上蒸鍍 60nm 厚可以使器件的發(fā)光效率提高 5.5 倍，如圖 1.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 林毅;氧化鋅/金屬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備及其光學(xué)性質(zhì)研究[D];東南大學(xué);2015年

2 張建;GaAs基近紅外半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)、生長和制備研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2013年

3 紀(jì)小會;膠體納米晶的水相合成與室溫表面配體化學(xué)[D];吉林大學(xué);2007年

4 賈慧穎;銀納米粒子的制備、表征及其表面增強(qiáng)拉曼散射活性研究[D];吉林大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 柴雅婷;納米結(jié)構(gòu)金屬表面等離子體共振的理論研究[D];東北石油大學(xué);2015年

本文編號：2773859