硅基介质超表面及其发光器件研究

发布时间：2020-10-26 22:32

　　 近些年来,超材料和超表面由于其独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛。与自然界中的天然材料不同,超材料和超表面中的光学响应主要由构成其结构的微单元的形状、尺寸以及排列方式等决定,因此通过合理的结构设计,人们几乎可以自由地操纵光,调控其相位、振幅和偏振特性。比起三维结构的超材料,二维超表面制备工艺简单、体积小、集成度高,且设计十分灵活,逐渐成为纳米光子学研究领域的热点。早期关于超表面的研究工作主要集中在基于金属材料的表面等离子体器件,而随着工作波段的蓝移,特别是到了近红外和可见光波段,金属的欧姆损耗带来的一系列负面效应难以忽略,严重影响了器件的工作效率。此时研究人员开始将注意力转向低损耗的介质材料,关于介质超表面的研究开始成为超材料领域的重点方向。介质超表面器件的设计原理是以米氏散射理论为基础,按其功能划分大致可分为两类,一类是对光场波前进行调控,这一类超表面遵循广义斯涅尔定律,通过在光场的入射面上引入相位梯度,从而实现光束偏转,聚焦以及涡旋光等功能。另一类是以增强超表面中电磁场场强为主的谐振型超表面,利用所有谐振单元的的群体谐振效应形成高品质因子的共振模式以及电磁场热点来增强结构中的光与物质的相互作用。本论文主要围绕硅基谐振型介质超表面开展了一系列理论研究和实验探索,设计并制备了不同结构的高品质因子硅基超表面结构,并将它们与有源材料结合,实现了大幅度的发光增强以及窄线宽激光出射,具体成果可以总结为以下几个方面:(1)提出了一种非对称空气孔阵列结构的高品质因子硅基超表面的设计,分析了结构中法诺谐振模式的产生机制以及限制品质因子的主要因素,利用结构中电磁偶极子辐射的相消干涉来减小结构的辐射损耗,从而提高了器件的品质因子,利用超表面所有结构单元中的电场和磁场偶极子群体共振效应以及它们之间的近场耦合作用强化结构中的谐振,进一步提升器件的品质因子。(2)设计并制备了一种非对称法诺谐振谐振超表面量子点发光器件,利用超表面结构中的高品质因子谐振和极小的等效模式体积增强自组装锗量子点的发光,在低温光致荧光谱测试中观察到了三个数量级的发光增强,器件性能在国际上处于领先水平。此外,我们还探索了器件发光的偏振特性以及与谐振单元数量的关系,确认了超表面结构中的群体共振效应。(3)探索并揭示了非对称结构超表面中的高品质因子的法诺谐振模式与连续域束缚态之间的联系,利用格林函数本征模展开描述了被超表面单元阵列散射的光场特性,证明了系统的反射和透射系数与传统的法诺公式相关。当系统的非对称参数为零时,这种高品质因子谐振模式会消失,此时结构中产生的是对称保护型连续域束缚态模式。由于人为引入的微弱不对称性,系统中的对称保护型连续域束缚态模式退化为准连续域束缚态模式,且模式的品质因子仍旧非常高。在此基础上,我们用准连续域束缚态模式增强硅材料中缺陷的发光,并在功率依赖测试中观察到缺陷中出现了明显的局域受激辐射现象。(4)基于超表面中法诺谐振的产生机理,设计并制备了一种新型的高品质因子的浅刻蚀小孔阵列超表面,这种结构的占空比极小,在工艺上避免了邻近效应导致的阵列结构不均匀的问题,极大地提升了器件的完成度。我们将制备的高品质因子超表面用作光纤激光器外腔反射镜,实测反射带宽约60 pm,消光比约为6.2 dB,激光激射时边模抑制比高于70 dB,线宽约600 Hz。(5)在高品质因子浅刻蚀小孔阵列超表面设计原理的基础上,通过改变小孔阵列不同方向上周期,设计并制备了一种高反射率的窄带双波长反射镜,并将制备好的超表面外腔镜应用于环形腔的光纤激光器结构中,实现了双波长激光的稳定出射,边模抑制比大于60 dB,线宽为1.2 kHz,且稳定性良好。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

[4]，那么这四个象限就将所有理论上存在的各向同性材料分为四大类，如图1-1所示。图 1-1 根据介电常数和磁导率对材料实现分类的示意图[4]从图1-1中可以看出，位于第一象限的材料的介电常数和磁导率均大于零，由麦克斯韦方程可知，在其中传输的电磁波的电场、磁场和波矢满足右手螺旋法则，因此这类材料也称为右手材料(Right-handedmaterials，RHM)。自然界中的大多数材料都属于右手材料。第二象限代表电等离子体材料(Electric plasma)，根据亥姆霍兹方程可知，当材料的介电常数小于零时波矢量为虚数，电磁波在这类材料中传播时能量以指数形式迅速衰减，表现出倏逝波(Evanescent wave)特性。位于第三象限的材料介电常数和磁导率均小于零，由麦克斯韦方程可知，在里面传输的电磁波的电场、磁场和波矢构成左手系统

首次制备了一种在微波频段介电常数和磁导率同时为负值的左手材料[42]，如图1-2所示。这一实验结果证实了Veselago当初的预测，极大地鼓舞了当时的超材料方向的研究工作者，在随后几十年里，关于负折射超材料的研究取得了大量的成果[10,14,15,19,43]。然而，由于左手材料存在损耗过大和工作带宽过窄的缺点，而这些缺点也限制了左手材料在器件设计方面的实际应用，研究人员也开始将注意力从负折射特性方面转移，努力寻求超材料的其他特性，进一步拓宽了超材料的应用领域。随后在2005年，Smith研究小组首次提出了梯度折射率超材料的设计[44]，实现了对电磁波传播方向的调控，紧接着在2006年

超材料领域未来可能的发展方向[57]
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;蓝光发光器件有巨大的市场潜力[J];国际学术动态;2000年03期

2 郑慕周;;近年来固体发光器件发展概况[J];发光快报;1987年02期

3 贾正根;;用金属有机物化学汽相沉积制造ZnS:Mn发光器件[J];真空电子技术;1987年02期

4 方志烈,许建中;具有金属反射腔的半导体平面发先器件设计原理[J];物理;1989年05期

5 邸建华;;改进ZnS:Mn交流薄膜电发光器件的稳定性[J];发光快报;1989年04期

6 ;能发各种颜色的新型发光器件[J];感光材料;1978年03期

7 孙膺九;国外注入式半导体发光器件进展[J];国外发光与电光;1978年04期

8 ;国外发光器件进展情况[J];半导体技术;1979年05期

9 ;辐射与发光 发光与发光器件[J];中国光学与应用光学文摘;2007年06期

10 ;发光器件及应用[J];中国光学与应用光学文摘;1998年06期

相关博士学位论文 前10条

1 邱幸枝;硅基介质超表面及其发光器件研究[D];华中科技大学;2019年

2 高文宝;梯度掺杂有机电致发光器件研究[D];吉林大学;2003年

3 何为;几种酞菁的合成、性质及其近红外发光器件研究[D];大连理工大学;2008年

4 王福芝;有机电致发光器件中的能量与载流子调控问题研究[D];北京大学;2008年

5 刘吉山;锂氮共掺杂ρ型氧化锌基薄膜制备及其发光器件研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

6 刘兴宇;高性能氧化锌基发光器件研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

7 梁军请;钙钛矿发光器件的优化及透明化研究[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2017年

8 银达;基于可控有序褶皱的柔性可拉伸有机电致发光器件研究[D];吉林大学;2017年

9 徐英添;ZnO微米线异质结发光器件的制备及研究[D];吉林大学;2014年

10 赵旺;MOCVD法制备氧化锌发光器件及薄膜晶体管的研究[D];吉林大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 俞梦捷;大面积全印刷柔性发光器件及其滚涂成膜机制研究[D];南京邮电大学;2019年

2 张利锋;Ge基发光器件关键技术研究[D];西安电子科技大学;2019年

3 闫万红;面向红外气体检测的半导体发光器件温控系统的研究[D];吉林大学;2019年

4 王琦;基于乙基溴化胺的天蓝色层状及绿色钙钛矿发光器件研究[D];西南大学;2019年

5 吉霞霞;聚合物/钙钛矿复合材料发光器件[D];西南大学;2018年

6 崔猛;标准CMOS工艺硅基发光器件的研究[D];天津大学;2016年

7 韩磊;硅基发光器件及其构成的光互连系统研究[D];天津大学;2012年

8 翟自洋;半导体发光器件特性综合测试实验系统的研究[D];浙江大学;2005年

9 阳秀;聚合物发光器件的制备及性能研究[D];电子科技大学;2006年

10 邢若兰;半导体发光器件的发明专利复审案件评析[D];湖南大学;2012年

本文编号：2857604