表面等離子激元(Surface plasmon polariton,SPP)作為一種沿著正/負介電常數(shù)材料界面?zhèn)鬏數(shù)奶厥怆姶拍Ｊ?往往被用于實現(xiàn)亞波長量級的電磁場限制和操控。然而傳統(tǒng)金屬SPP面臨著兩個問題:SPP波動態(tài)調控的不易實現(xiàn),傳輸損耗與光場局域之間的矛盾。這兩者仍然制約著SPP器件的實際應用,在中紅外和太赫茲波段,由于金屬有著很大的介電常數(shù)虛部,傳統(tǒng)金屬SPP器件無法在相對合理的傳輸損耗下實現(xiàn)亞波長量級的模場限制。基于金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)在半導體中通過形成載流子積累層,可以實現(xiàn)半導體內介電常數(shù)從負到正梯度分布,并產(chǎn)生一個介電常數(shù)為零的界面。這一結構在約2-20微米的中紅外波段不僅可以實現(xiàn)亞波長量級的模場限制,而且可以利用MOS結構對載流子的控制實現(xiàn)對光場的控制。本文分別從電子學和電磁場分析的角度對Ag/HfO_2/N-GaAs結構進行了理論研究,其主要研究工作包括:(1)基于泊松方程對Ag/HfO_2/N-GaAs結構的一維MOS平板進行了數(shù)值仿真,計算了積累工作模式下的電子濃度的分布,并根據(jù)Drude-Lorentz模型得到了復介電常數(shù)的分布,分析了外加電壓、氧化物厚度、摻雜濃度對載流子分布和介電常數(shù)分布的影響。(2)對積累工作模式下的一維MOS平板結構進行了模式分析,結果表明該結構可以支持兩個模式,分析了這兩個模式的形成機理和模場分布特點,研究了這兩個模式的色散曲線、傳播長度、模式尺寸,以及外加電壓、氧化物層厚度和半導體摻雜濃度對模式特性的調控作用。(3)分別設計了半導體脊形和金屬條形二維MOS結構并進行了模式分析,解釋了二維MOS結構中出現(xiàn)的多側�，F(xiàn)象及其電壓依賴性,研究了模式的色散曲線、傳播長度和模式尺寸,并與無外加電壓的情況進行了比較。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O482.5
【部分圖文】：

界面 SPP 波的電磁場分布示意圖，(a) TM 模式的 SPP 振蕩； (b)方向呈指數(shù)衰減， 和 分別為表面 SPP 在介質和金屬中的式的特性可以由麥克斯韋方程組推導得到。在圖 1-1 中，S的交界面（z=0） 附近，沿 x 方向傳播，由于 SPP 波為 TM它的電磁分量可以分別表示為：的金屬區(qū)域，有域，有

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文梯狀的色散曲線，并且可以通過摻雜濃度和變化結構厚度進行進一步的設計。Blaze等人設計了一種通過對半導體進行線性摻雜結構[9]，理論分析表明在線性摻雜區(qū)（過渡層）可存在兩種不同的 SPP 模式，分別是群速度為正的長波模式和群速度為負的短波模式，文中還特別分析了線性摻雜導致的介電常數(shù)過零對模場的增強作用。

圖 1-2 （a）半導體 SPP 狹縫波導[4]（b）半導體 SPP 脊形波導[5]3 周期性結構的 SPP雖然很難對金屬材料的特性（介電常數(shù)）進行調控，但是對于周期性的金屬結調整結構參數(shù)（如周期，占空比），其等效介電常數(shù)將有所不同，因此通過的設計可以在達到調控 SPP 模式的效果[3，10-13，26-27]。這也可以理解為：在周期，SPP 會產(chǎn)生諧振，從而被限制在周期性結構中，因此可以實現(xiàn)光場局域的強。一般來說，周期性金屬結構中，刻槽的深度、周期、形狀都會改變等效，如刻槽越深，等效介電常數(shù)越小，對 SPP 模場的限制作用越好，同時模式也越低[26-27]。
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本文編號：2837691