發(fā)布時(shí)間：2018-05-03 03:09

  本文選題：表面等離激元 + 半導(dǎo)體�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是電磁波在電介質(zhì)和導(dǎo)體界面?zhèn)鞑サ囊环N電磁模式,可將能量局域在亞波長(zhǎng)尺度內(nèi),同時(shí)產(chǎn)生場(chǎng)增強(qiáng),其與超材料的結(jié)合驅(qū)動(dòng)了光學(xué)納米天線、超透鏡、光學(xué)隱身斗篷等新型功能器件的產(chǎn)生,在通訊技術(shù)、生化探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、軍事隱身設(shè)計(jì)、納米激光器、太陽(yáng)能電池等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。由于金屬電子的帶間躍遷會(huì)造成巨大損耗,低損耗的半導(dǎo)體成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)等透明導(dǎo)電半導(dǎo)體的光學(xué)屬性可以通過(guò)生長(zhǎng)條件或外加電壓進(jìn)行調(diào)制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)SPP的主動(dòng)調(diào)控,有助于新型主動(dòng)光子器件的研發(fā),對(duì)SPP器件和超材料的研究具有重要意義。本論文對(duì)使用鈮酸鋰(Lithium Niobate,LN)實(shí)現(xiàn)ITO的靜電改性并激發(fā)SPP進(jìn)行了探討,利用ITO的可調(diào)屬性實(shí)現(xiàn)了雙曲超材料(Hyperbolic Metamaterials,HMMs)近零介電常數(shù)(Epsilon-Near-Zero,ENZ)的調(diào)控。最后,提出鈮酸鋰鐵電疇精確調(diào)控石墨烯的介電屬性實(shí)現(xiàn)SPP開(kāi)關(guān)調(diào)制的方案,并從理論和數(shù)值模擬角度進(jìn)行了分析。首先,基于鈮酸鋰的光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了ITO/LN界面的靜電改性并利用光折變光柵實(shí)現(xiàn)了SPP的激發(fā)。使用單中心Kukhtarev模型分析了鈮酸鋰中的光折變和光伏作用;綜合介紹了常用的半導(dǎo)體界面改性理論,包括Debye-Huckel模型、Thomas-Fermi模型、量子流體動(dòng)力學(xué)模型和Lindhard理論;從實(shí)驗(yàn)出發(fā)分析了ITO/LN系統(tǒng)中界面處由于光伏作用產(chǎn)生的電荷積累,并計(jì)算了ITO光學(xué)屬性的變化,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的光折變相位光柵分布,通過(guò)光柵波矢匹配方程證實(shí)了SPP的激發(fā)并給出了其色散能帶結(jié)構(gòu),分析了SPP對(duì)透射譜和反射譜的影響,闡釋了SPP在表面法線方向散射動(dòng)態(tài)和二波耦合過(guò)程中對(duì)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程的作用。其次,設(shè)計(jì)了基于ITO的在可見(jiàn)光和近紅外波段主動(dòng)可調(diào)ENZ點(diǎn)的雙曲超材料。分析了HMMs的基本屬性,給出了獲得有效介電常數(shù)的有效介質(zhì)理論公式。對(duì)比了傳統(tǒng)的金屬/電介質(zhì)雙曲超材料結(jié)構(gòu)-Al/Hf O2和插入10 nm ITO形成的Al/HfO2/ITO/HfO2/Al結(jié)構(gòu),并利用ITO的雙電荷聚集層在不同電壓下的改性程度不同,實(shí)現(xiàn)了精確動(dòng)態(tài)調(diào)控HMMs的拓?fù)湎嘧凕c(diǎn),將面外ENZ點(diǎn)從近紅外移動(dòng)到可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)。利用有效介質(zhì)理論闡釋了ENZ點(diǎn)產(chǎn)生的原因,并根據(jù)ITO在外加電壓下的屬性變化對(duì)ENZ點(diǎn)的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,通過(guò)傳輸矩陣獲得HMMs中的波矢kz,從波矢角度分析ENZ對(duì)HMMs的影響。最后,基于鈮酸鋰的鐵電極化疇實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯中SPP傳輸?shù)恼{(diào)控,理論和數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)了鐵電材料/石墨烯結(jié)構(gòu)的SPP調(diào)制器功能。首先介紹了石墨烯的基本光學(xué)屬性,并對(duì)隨機(jī)相位近似和半經(jīng)典的石墨烯表面電導(dǎo)兩種模型下的電導(dǎo)和介電常數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,闡述了帶間躍遷和帶內(nèi)躍遷的作用。其次介紹了鈮酸鋰的表面電荷,對(duì)比了不同方法得到的表面電荷密度。最后通過(guò)空氣/石墨烯/鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的橫磁波色散關(guān)系,分析了不同化學(xué)勢(shì)下的SPP邊穿透深度、入射波長(zhǎng)與邊穿透深度的比值及傳輸長(zhǎng)度;在波長(zhǎng)為5.0μm時(shí),通過(guò)定義鐵電極化疇的開(kāi)關(guān)狀態(tài),分析了該結(jié)構(gòu)調(diào)制器在不同鐵電極化疇長(zhǎng)度下的單位長(zhǎng)度信號(hào)衰減、調(diào)制深度、功率比和品質(zhì)因數(shù),得到優(yōu)化的鐵電疇長(zhǎng)度為70 nm左右,為基于鐵電/石墨烯混合結(jié)構(gòu)的SPP器件的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
[Abstract]:The optical properties of ITO / LN interface are studied by using single - center Kukhtarev model . In this paper , the effects of the structure - Al / Hf O 2 and 10 nm ITO on HMMs are obtained by using the theory and numerical simulation of the structure - Al / Hf O 2 and 10 nm ITO .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O441;TB34

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本文編號(hào)：1836701