基于钙钛矿薄膜的共振增强超构表面研究

发布时间：2020-06-13 17:10

【摘要】：近年来,得益于微纳加工技术的高速发展,超构表面这一概念在高性能微型光电器件领域取得了不断突破,通过调控基本单元的材料成分、尺寸、形状及排布方式,可以达到控制波束偏振方向、振幅以及相位的目的,在非线性光学领域中具有重要的价值。而光学的发展同样离不开材料的进步,有机无机卤化铅钙钛矿(CH_3NH_3PbX_3,X=Cl,Br,I)由于其具有快的载流子迁移速度、长的激子扩散长度、可调谐带隙、高效光致发光和低成本等优异性能,被视为一种极具发展前景的光电材料。目前研究学者已经成功制备了一系列钙钛矿基的光子器件,如钙钛矿太阳能电池、光电探测器、发光二极管、微纳激光器,并实际应用扩展到显示器、成像和传感器等领域。此外卤化铅钙钛矿还具有高折射率和高非线性系数的特点,是一种优异的非线性光学材料。然而时至今日,将钙钛矿非线性光学性能与超构表面相结合应用的实验仍然较为欠缺,相关器件也尚未研发。针对这一现况,本论文提出了一种基于钙钛矿薄膜的共振增强超构表面,通过一层薄膜结构就可以实现特定信息的高密度加密和读取,这对于未来的防伪、信息加密、信息处理、以及光存储等都具有非常重要的价值。为了满足本文中超构表面的制备要求,采用一种快速低成本同时兼备薄膜质量的反溶剂旋转涂敷法进行薄膜质量的优化。同时利用COMSOL Multiphysics软件电磁学模块仿真设计了一种光栅式共振增强超构表面,优化其周期、间距、厚度等结构参数实现了将特定波长的光局域在钙钛矿光栅中的效果。通过电子束曝光和干法刻蚀技术对薄膜自上而下制备出设计参数的实验样品,经过光学表征验证,样品的共振位置与计算结果具有极好的一致性和重复性。由于电磁场的局域增强,钙钛矿薄膜中的非线性过程也得到增强,主要包括三次谐波(Third Harmonic Generation,THG)和三光子上吸收(Three-photon Absorption,TPA)过程。从而使得钙钛矿光栅超构表面只有在设计波长泵浦光的激发下,才能观察到很强的绿色三光子上转换发光。这一特定优势具有很广阔的应用前进,例如光学冲印显示和光学加密编码领域,只有当入射泵浦光波长为设计的共振波长时,本论文中设计的编码信息“NANO”才可见。非设计波长的泵浦光或者单光子进行激发只能看到均匀的黑暗或绿色荧光背景,无法显示出隐藏的编码信息。
【图文】：

示意图,钙钛矿,晶体结构,示意图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文机无机杂化钙钛矿简介技术的发展依赖于光学材料本身，钙钛矿材料于 1839 年被德夫罗斯首次发现，经矿物学专家 L.A.Perovskite 命名，现已凭进入了国内外诸多学者的研究方向，成为了光子器件领域的研钙钛矿 CH3NH3PbX3（X=Cl,，Br，I）由于其具有快的载流子迁流子扩散长度、高折射率、高非线性系数、可调谐带隙、高本等优异性能，被广泛应用于光电探测器[1-4]、太阳能电池[5-6以及激光器[14-19]等领域，，与之相关的重量级研究成果连年不中。目前研究学者广泛关注的有机无机卤化铅钙钛矿是指晶CaTiO3）晶体结构相同的一类化合物，其晶体结构为 ABX3结较小的有机分子（如 CH3NH3+，CH(NH2)2+）；B 通常为金属阳X 通常为卤素阴离子（如 I、Br、Cl）。以本论文所使用的 CH3例，其晶体结构如图 1-1 所示。

示意图,三次谐波,机理,示意图

图 1-2 三次谐波机理示意图发生在钙钛矿薄膜中的非线性现象除了三次谐波信号的产生外还包括多光子上转化吸收发光。早在上个世纪，研究学者用 960 nm 的红外光入射硫化锌晶体时，测量到 525 nm 的绿色光致发光，发现了双光子上转换效应。上转换现象是指频率低波长长的光入射到介质材料进行激发时产生频率高波长短的光的现象，违背了斯托克斯定律，故而也被称为反斯托克斯发光（Anti-Stokes Luminescence）。图 1-3 以钙钛矿三光子上转换光致发光过程为例，解释了上转化发光的机理，发光中心从基态相继吸收三个光子跃迁到激发态，后经过无辐射弛豫进入发光能级，进而恢复到基态放出光子，可观察到绿色的光致发光。出射光波长将小于原来波长的 1/3。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;O437

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