本文關(guān)鍵詞：基于表面等離激元和光學(xué)Tamm態(tài)的新型熱電子光電探測(cè)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微納光電探測(cè)器具有尺寸小、集成度高、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電探測(cè)器受材料限制只能探測(cè)禁帶寬度以上的光子能量,而表面等離子激元(SPs)的共振波長(zhǎng)可借助微納手段有效調(diào)控,因此,基于SPs的光電探測(cè)原則上不受半導(dǎo)體能帶限制。熱電子光電探測(cè)是一種新型探測(cè)方法,它是金屬中的電子被激發(fā)越過(guò)勢(shì)壘形成光電流的過(guò)程,近年來(lái)在理論和實(shí)驗(yàn)上均有開(kāi)創(chuàng)性進(jìn)展。然而,對(duì)于該新興領(lǐng)域,在熱電子產(chǎn)生、輸運(yùn)機(jī)制、新型器件設(shè)計(jì)等方面還有大量工作有待深入。本論文針對(duì)基于金屬-絕緣體(無(wú)摻雜半導(dǎo)體)-金屬(即:MIM或MSM)的多層微納結(jié)構(gòu)熱電子光電探測(cè)器的基本電磁學(xué)響應(yīng)、熱電子激發(fā)、共振波長(zhǎng)調(diào)諧、內(nèi)部載流子輸運(yùn)、載流子收集與光電響應(yīng)優(yōu)化等一系列光學(xué)電學(xué)核心科學(xué)原理和過(guò)程展開(kāi)系統(tǒng)研究,旨在通過(guò)器件結(jié)構(gòu)和科學(xué)機(jī)理上的創(chuàng)新獲得高光電轉(zhuǎn)換、窄帶、角度低敏感等優(yōu)良特性的熱電子光電探測(cè)器件設(shè)計(jì)。本論文取得的主要研究成果總結(jié)如下:(1)提出了一種通信波段光柵結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器件,研究了光柵結(jié)構(gòu)SPs熱電子光電探測(cè)原理,并開(kāi)展了器件光電性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)深入探究光柵周期、填充因子、深度以及下層金屬厚度等對(duì)SPs共振的調(diào)控機(jī)制,獲得目標(biāo)波長(zhǎng)處(1550nm)的高效光學(xué)吸收;進(jìn)一步地,對(duì)熱電子在光柵MIM結(jié)構(gòu)中的輸運(yùn)問(wèn)題做了解析和數(shù)值分析,獲得器件電學(xué)輸出性能;最后,考慮器件光學(xué)吸收與電學(xué)性能匹配因素,從光電域角度開(kāi)展了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,獲得高效光電轉(zhuǎn)換響應(yīng)(無(wú)偏壓下達(dá)到0.1mA/W)。(2)設(shè)計(jì)了一種波長(zhǎng)可調(diào)、具有強(qiáng)非對(duì)稱吸收的共形金屬光柵(MSM)SPs熱電子光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu),定量分析了器件電學(xué)響應(yīng)特性。該設(shè)計(jì)通過(guò)有效分離上、下金屬層的光吸收,獲得近乎完美的非對(duì)稱光學(xué)吸收特性,實(shí)現(xiàn)高光電流輸出。與常規(guī)光柵結(jié)構(gòu)相比,共形光柵結(jié)構(gòu)熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)可獲得超過(guò)98%的凈吸收(常規(guī)光柵結(jié)構(gòu)為38%)。與此同時(shí),針對(duì)特殊的共形多層結(jié)構(gòu),研究了相應(yīng)的熱電子輸運(yùn)模擬方法。電學(xué)分析表明,共形光柵結(jié)構(gòu)熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)度是常規(guī)光柵結(jié)構(gòu)的3倍以上,有效提高了器件性能。(3)打破傳統(tǒng)基于復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的SPs熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)限制,將光學(xué)Tamm表面態(tài)(OTS)用于熱電子光電探測(cè),獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備的多層平面結(jié)構(gòu)熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)方案。首先研究了分布布拉格反射器(DBR)與金屬薄膜中OTS的物理成因和調(diào)控原理;進(jìn)一步,在OTS系統(tǒng)中引入MSM熱電子光電探測(cè)核心結(jié)構(gòu),研究了OTS共振下MSM熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)吸收性能;最后,通過(guò)詳細(xì)的熱電子輸運(yùn)研究,定量分析了OTS熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)的光電流輸出和光電響應(yīng)。研究表明,采用OTS機(jī)制下的平面多層熱電子光電探測(cè)系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但仍可獲得與傳統(tǒng)復(fù)雜微納系統(tǒng)可比擬的光電轉(zhuǎn)換性能,為低成本、高性能熱電子光電探測(cè)應(yīng)用提供了全新的設(shè)計(jì)方案。
【關(guān)鍵詞】：熱電子 光電探測(cè) 表面等離激元 納米光柵 分布式布拉格反射鏡 光學(xué)Tamm態(tài)
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN15
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 研究背景與意義11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.3 本論文主要研究工作16-18
• 第二章 熱電子光電探測(cè)器的基本原理及研究方法18-35
• 2.1 引言18
• 2.2 表面等離子激元的基本特性18-23
• 2.2.1 Drude模型19-21
• 2.2.2 表面等離子激元的色散性質(zhì)21-23
• 2.3 表面等離子激元的幾種常見(jiàn)激發(fā)方式23-26
• 2.3.1 棱鏡耦合激發(fā)23-24
• 2.3.2 光柵耦合激發(fā)24-25
• 2.3.3 近場(chǎng)耦合激發(fā)25-26
• 2.4 光與亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)相互作用的計(jì)算模擬方法26-31
• 2.4.1 傳輸矩陣法26-29
• 2.4.2 嚴(yán)格耦合波法29-31
• 2.4.3 有限元法31
• 2.5 熱電子輸運(yùn)理論31-34
• 2.6 本章小結(jié)34-35
• 第三章 光通信波段熱電子光電探測(cè)35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 MIM熱電子光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)35-36
• 3.3 器件光學(xué)性能調(diào)控36-38
• 3.3.1 光柵周期的影響36-37
• 3.3.2 下層金屬厚度的影響37
• 3.3.3 光柵寬度與厚度的優(yōu)化37-38
• 3.4 器件電學(xué)性能研究38-42
• 3.4.1 熱電子的產(chǎn)生、傳輸特性38-39
• 3.4.2 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱電子傳輸概率的影響39-40
• 3.4.3 通信波段附近的頻譜響應(yīng)特性40-41
• 3.4.4 偏壓對(duì)響應(yīng)度的影響41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第四章 共形金屬光柵結(jié)構(gòu)熱電子光電探測(cè)43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 MSM光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及電學(xué)能帶原理43-44
• 4.3 器件光響應(yīng)調(diào)控44-45
• 4.4 器件電學(xué)參量的理論計(jì)算模型45-46
• 4.5 共形光柵與普通光柵的性能比較46-48
• 4.6 偏振態(tài)的響應(yīng)特性及偏壓的性能調(diào)控48-50
• 4.7 本章小結(jié)50-51
• 第五章 光學(xué)Tamm態(tài)平板結(jié)構(gòu)熱電子光電探測(cè)51-59
• 5.1 引言51
• 5.2 光學(xué)Tamm態(tài)簡(jiǎn)介51-53
• 5.3 器件的理論結(jié)構(gòu)模型53-54
• 5.4 光學(xué)性能分析54-57
• 5.4.1 DBR層數(shù)對(duì)形成光學(xué)Tamm態(tài)的影響54-55
• 5.4.2 光學(xué)Tamm態(tài)的特征波長(zhǎng)調(diào)控55
• 5.4.3 器件能量吸收的空間分布特性55-56
• 5.4.4 上層金屬厚度對(duì)光學(xué)Tamm態(tài)及凈吸收的影響56-57
• 5.5 偏壓及勢(shì)壘高度對(duì)探測(cè)器電學(xué)性能的影響57-58
• 5.6 本章小結(jié)58-59
• 第六章 總結(jié)與展望59-61
• 6.1 總結(jié)59
• 6.2 展望59-61
• 參考文獻(xiàn)61-66
• 縮略語(yǔ)66-67
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果67-69
• 致謝69-70

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 程玉寶,黃濤;幾種光電探測(cè)設(shè)備的信號(hào)探測(cè)概率分析[J];光電技術(shù)應(yīng)用;2004年04期

2 劉京郊;;空間光電探測(cè)/干擾技術(shù)需求與展望[J];紅外與激光工程;2006年S1期

3 范大鵬;魯亞飛;范世s，

本文編號(hào)：429433