纳米银结构阵列的局域表面等离激元特性仿真及其在提高掺氧氮化硅发光效率中的应用研究
本文关键词：纳米银结构阵列的局域表面等离激元特性仿真及其在提高掺氧氮化硅发光效率中的应用研究 出处：《南京大学》2015年硕士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：贵金属(金、银)纳米结构的局域表面等离激元(LSP)近场增强特性是提高半导体器件发光效率的重要途径之一。本论文围绕有序排列、尺寸可控纳米银结构阵列的LSP对硅基半导体薄膜a-SiN_x:O材料发光效率的增强研究,对不同尺寸纳米银六角阵列在a-SiN_x:O介质中的LSP共振特性进行仿真,分析了纳米银六角阵列中纳米银尺寸和间距对实现LSP与有源层a-SiN_x:O共振耦合的影响,获得了蓝光最佳耦合状态的纳米银尺寸。本文计算了最佳尺寸的纳米银阵列在a-SiN_x:O薄膜蓝光激发下的近场增强、极化模式和垂直辐射空间场强分布,为硅基a-SiN_x:O薄膜蓝光发射器件最佳厚度设计提供了理论参考。在此基础上本文采用聚苯乙烯小球掩膜结合激光热处理的方法制备了尺寸可控的纳米银球壳阵列,发现直径为300 nm的银球壳阵列对a-SiN_x:O薄膜在波长为420 nm处的蓝光发射可实现40倍的增强,变温光致发光谱和荧光寿命分析表明300 nm银球壳阵列的LSP引入使a-SiN_x:O薄膜的光致发光内量子效率提高了 8%。为了与纳米银球壳阵列对比,本文采用热退火自组织方法制备了 460 nm以及240 nm的纳米银颗粒,实现a-SiN_x:O薄膜在470 nm的2.7以及4.1倍的光致发光增强。两种尺寸的银颗粒LSP近场场强分布计算结果表明两种尺寸的银颗粒在470nm波长激发下形成的LSP的极化模式为四偶极子,a-SiN_x:O薄膜的光致发光增强来源于纳米银表面形成的LSP与a-SiN_x:O薄膜共振耦合下的近场增强作用。本文的主要研究结果和创新点如下:1、为了研究纳米银六角阵列的局域表面等离激元与a-SiN_x:O薄膜的光致发光的共振耦合增强特性,本文通过COMSOLMultiphysics和FDTD Solution仿真工具对25nm、50nm、75nm以及100nm纳米银六角阵列在a-SiN_x:O薄膜中局域表面等离激元的散射和吸收截面进行计算,发现随着尺寸增加,其散射与吸收截面由460nm红移至630nm,并且随着银颗粒尺寸的增加,LSP的形成伴随着四偶极子高阶极化模式的出现。同时,本文还模拟了银颗粒间距对于LSP的散射以及吸收的影响,获得了蓝光最佳耦合状态的纳米银尺寸为25 nm。我们对25 nm的银六角阵列结构位于蓝光波段的LSP谐振近场增强特性进行仿真,分析了25 nm银六角阵列在460 nm波长激发下的LSP的形成机制,通过bright和dark两种耦合模式来进行计算分析,证实了 LSP实际是由成键耦合的bright模式导致。本文还计算了 25 nm的银六角阵列结构在a-SiN_x:O薄膜中的垂直辐射空间场强分布,发现a-SiN_x:O有源层的最佳厚度为30nm,为硅基蓝光发射器件的设计提供了理论参考。2、我们采用聚苯乙烯小球掩膜结合激光热退火的方法制备了直径为170nm、220nm以及300nm的纳米银球壳阵列,通过改变纳米银球壳阵列的尺寸,实现了 LSP在a-SiN_x:O薄膜中的谐振波长从近紫外到蓝光范围内的调控,并获得了a-SiN_x:O薄膜在380nm—420nm波段的光致发光增强。其中直径为300nm的纳米银球壳阵列的LSP引入使a-SiN_x:O薄膜位于420 nm处光致发光强度提高了40倍,通过变温光致发光以及荧光寿命分析了直径为300nm的纳米银球壳阵列的LSP的引入使得a-SiN_x:O薄膜的内量子效率提高了 8%。本文通过FDTD Solution仿真纳米银球壳LSP的近场辐射强度,发现其近场增强倍数与光致发光增强倍数一致,从而证实了 a-SiN_x:O薄膜的光致发光增强来自于纳米银球壳阵列的LSP参与导致的辐射复合速率增加,从而使得内量子效率提高。
[Abstract]:The near - field enhancement of a - SiN _ x : O thin film in a - SiN _ x : O thin film is studied by means of thermal annealing self - organizing method . In this paper , the field intensity distribution of a - SiN _ x : O thin film in a - SiN _ x : O thin film has been investigated by means of two coupled modes of bright and dark . In this paper , we have calculated the field intensity distribution of a - SiN _ x : O thin film in a - SiN _ x : O thin film .
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TB383.2
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，本文编号：1383705
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