本文關(guān)鍵詞：光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)寬帶光吸收和發(fā)光的研究

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【摘要】：高效的寬帶光吸收器在光伏系統(tǒng)、光電檢測(cè)、軍事隱身等方面有著廣泛應(yīng)用。1982年,Yablonovitch提出了在均勻Si薄膜內(nèi)的光吸收極限。然而,Yablonovitch極限僅適用于幾何光學(xué),對(duì)于亞波長結(jié)構(gòu),通過合理地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),其吸收效率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Yablonovitch極限。目前,科學(xué)家們已經(jīng)提出了很多含貴金屬材料的周期性微納光耦合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)太陽光吸收的增強(qiáng),但周期性結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)在共振模處的窄帶高吸收。白光LED作為一種重要的發(fā)光元件,它的應(yīng)用滲透到各個(gè)領(lǐng)域,比如照明、顯示器等。由于采用單晶型LED產(chǎn)生白光的發(fā)光方式與多晶型相比,在驅(qū)動(dòng)電路上的設(shè)計(jì)會(huì)較為容易,成本較低,故通常采用單晶型產(chǎn)生白光。利用紫外光LED加RGB三波長熒光粉來達(dá)到白光的效果,其發(fā)光效率比采用藍(lán)光LED來激發(fā)好上許多。如今,由于越來越高的商業(yè)需求,白光LED的發(fā)光效率也需要進(jìn)一步提高。由于紅外LED逐漸廣泛應(yīng)用于空間光通信、地質(zhì)勘測(cè)、紅外照明以及攝像監(jiān)控等方面,因此提高近紅外LED的發(fā)光效率也越來越重要。為克服以上吸收帶寬窄和LED發(fā)光效率低的問題,研究者采用光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了:(1)TM模式下,覆蓋近紫外至紅外波段內(nèi)的高效、寬帶、寬角度太陽能的吸收增強(qiáng),且在紅外波段超過了Yablonovitch極限;(2)TM模式和TE模式同時(shí)實(shí)現(xiàn)覆蓋近紫外至紅外波段內(nèi)的高效、寬帶、寬角度太陽能的吸收增強(qiáng),且在紅外波段超過了Yablonovitch極限;(3)實(shí)現(xiàn)了紫光、藍(lán)光、綠光以及紅光波段的高反射,有利于提高量子點(diǎn)的發(fā)光效率,可應(yīng)用于增強(qiáng)白光LED的發(fā)光;(4)實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的高反射,從而提高紅外LED的發(fā)光效率。利用嚴(yán)格耦合波分析法(RCWA)和有限時(shí)域差分法(FDTD),對(duì)結(jié)構(gòu)的透射、反射、吸收、場(chǎng)強(qiáng)分布以及入射角度變化的影響作分析,主要研究內(nèi)容及成果如下:1、將表面設(shè)有一維光子晶體結(jié)構(gòu)的Si薄膜以及底部隨機(jī)金屬三角反射板結(jié)合,得到:對(duì)于TM模,覆蓋0.3~9.9μm的高吸收,平均吸收效率高于60%,且入射角度變化對(duì)吸收效率影響不大。2、對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展,將表面設(shè)有二維光子晶體結(jié)構(gòu)的Si薄膜以及底部二維隨機(jī)倒金字塔形金屬反射板結(jié)合,得到:s偏振和p偏振同時(shí)實(shí)現(xiàn)0.3~9.9μm的寬帶光吸收,且吸收效率對(duì)入射角度變化不敏感。3、設(shè)計(jì)了(SiO_2/TiO_2)N結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了紫外波段的窄帶高反射,藍(lán)色、綠色和紅色波段的寬帶高反射,從而增強(qiáng)紫色LED的激發(fā)和藍(lán)色、綠色、紅色發(fā)光物質(zhì)的發(fā)光,最終增強(qiáng)的白光LED的發(fā)光。且當(dāng)入射角度在0°~25°內(nèi)以及TiO_2的厚度在40 nm~54 nm內(nèi),高反射波段基本不變,從而降低了制備難度。4、設(shè)計(jì)了(SiO_2/Si)N結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的高反射,從而增強(qiáng)近紅外LED的發(fā)光效率。
【關(guān)鍵詞】：光子晶體 寬帶吸收 白光LED 紅外LED 時(shí)域有限差分法 嚴(yán)格耦合波分析法
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN312.8
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 光子晶體簡介11-15
• 1.1.1 光子晶體的主要特性及應(yīng)用12-14
• 1.1.2 光子晶體的研究方法14-15
• 1.2 量子點(diǎn)簡介15-17
• 1.3 本文的主要工作17-18
• 第二章 一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)寬帶光吸收18-26
• 2.1 光吸收器及其研究現(xiàn)狀18-19
• 2.2 一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)寬帶光吸收19-24
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)周期和入射光角度對(duì)吸收效率的影響19-20
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)吸收增強(qiáng)的物理機(jī)制研究20-22
• 2.2.3 結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)研究22-23
• 2.2.4 光伏結(jié)構(gòu)的周期和厚度選擇規(guī)律23-24
• 2.3 本章小結(jié)24-26
• 第三章 二維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)寬帶光吸收26-34
• 3.1 二維光子晶體及其特性你26
• 3.2 二維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)寬帶光吸收26-32
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)周期和入射光角度對(duì)吸收效率的影響27-28
• 3.2.2 s和p偏振下同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸收增強(qiáng)的物理機(jī)制研究28-29
• 3.2.3 光伏結(jié)構(gòu)的周期和厚度選擇規(guī)律29-31
• 3.2.4 結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)分布研究31-32
• 3.3 本章小結(jié)32-34
• 第四章 光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)提高白光LED發(fā)光效率的研究34-42
• 4.1 白光LED的發(fā)光機(jī)制34
• 4.2 光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)白光LED發(fā)光效率34-40
• 4.2.1 (TiO_2/SiO_2)周期對(duì)結(jié)構(gòu)反射效率的影響35-36
• 4.2.2 參數(shù)d1和d2對(duì)結(jié)構(gòu)反射效率的影響36-38
• 4.2.3 場(chǎng)強(qiáng)分布38
• 4.2.4 量子點(diǎn)發(fā)射增強(qiáng)研究38-40
• 4.2.5 入射角度對(duì)結(jié)構(gòu)反射效率的影響40
• 4.3 本章小結(jié)40-42
• 第五章 光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)紅外LED發(fā)光效率42-48
• 5.1 紅外LED及其應(yīng)用42
• 5.2 光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)紅外LED發(fā)光效率的研究42-46
• 5.2.1 (SiO_2/Si)周期對(duì)結(jié)構(gòu)反射效率的影響43
• 5.2.2 參數(shù)H對(duì)結(jié)構(gòu)反射效率的影響43-44
• 5.2.3 場(chǎng)強(qiáng)分布44-45
• 5.2.4 量子點(diǎn)發(fā)光功率研究45
• 5.2.5 入射角度對(duì)反射效率的影響45-46
• 5.3 本章小結(jié)46-48
• 第六章 總結(jié)與展望48-50
• 參考文獻(xiàn)50-56
• 致謝56-58
• 攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果58

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