硅基介质超表面及其量子点嵌入式器件的研究

发布时间：2020-11-07 12:23

　　 在过去的几十年里,电磁超材料以及超表面因其独一无二的电磁特性,得到了全世界科研人员的极大关注。与自然界中存在的物质材料不同的是,超材料以及超表面能够通过灵活的结构设计和周期排布,几乎可以任意控制光场的相位、偏振、强度。尤其是超表面,制备工艺简单,集成度高,在一些领域内有取代传统光学器件的趋势。经过多年的发展,超表面的工作波长已经移到了近红外以及可见光波段,工作材料也由一开始的金属过渡到透明的介质材料,器件功能的实现以介质颗粒的米氏谐振为基础。在功能性方面,介质超表面主要分为两类:一类是对光的波前进行控制的梯度超表面,例如超透镜;另一类是以增强光场谐振为主的谐振型超表面,这类超表面通过高品质因子的谐振模式以及近场增强来加强光与物质的相互作用。本文研究的重点围绕着谐振型介质超表面展开,设计了不同的偏振无关和偏振相关的介质超表面器件,并最终在硅基材料平台上成功制备出器件。具体内容如下:(1)通过对介质超表面中Fano谐振的深入研究,分析了介质圆盘阵列中Fano谐振的产生机制以及限制谐振品质因子的决定因素,提出了通过引入环形缺陷来平衡反向电偶极子对,使其实现更为充分的干涉相消,以提升谐振的品质因子。同时,这一功能的实现仅仅破坏了器件结构的局域对称性,器件的整体仍然保留有平面内的完整对称性,属于偏振无关结构。另外,环形缺陷的带来的狭缝效应又进一步的提升了介质超表面在谐振波长处的局域场增强,有利于增强光与物质的相互作用。(2)提出了一种基于非对称微盘结构的高品质因子介质超表面,通过对亮-暗模耦合过程以及束缚模产生机制的分析,我们发现暗模是束缚模的一种极限情况。传统的亮-暗模耦合是一种间接激发高品质一直谐振模式的方法,在结构上要求亮-暗模之间存在着非对称性。若把亮-暗模看做一个整体,这种方式就是通过破坏对称性以实现到远场的耦合。因此,只需要在结构上简单破坏暗模的对称性即可让其谐振模式泄露到远场,而不需要亮模参与进来,这种全新的设计思想使得我们可以任意根据需要设计所需要的高品质因子介质超表面结构。我们所提出的最为简单的结构是破坏完美圆盘的对称性,使其等效为一个半圆盘和半椭圆盘拼接而成,保留光滑的侧壁结构。(3)摸索了硅基介质超表面的全套制备工艺,通过多次实验我们总结出来临近效应与写场拼接问题是大面积介质超表面器件的制备所面临的最关键问题,尤其临近效应在连续图形大面积曝光中几乎无可避免,即使用专业的软件进行临近效应矫正也无法消除,这导致在制备柱状结构的介质超表面时很难得到一致性较佳的器件。最有效的解决方法是通过改变结构设计来减弱邻近效应带来的影响,用独立的小面积曝光来替代连续的大面积曝光,也就是用孔型结构来代替柱状结构。(4)设计并且成功制备出来基于非对称孔结构的介质超表面,通过空间光测试系统确认了其与仿真模拟结果的吻合,并且首次将介质超表面与有源发光物质结合,在硅基锗量子点外延片上制备出来了同样结构的介质超表面,通过低温PL测试观测到了超过1000倍的发光增强,发光峰的最高品质因子为1011,器件的性能达到国际领先水平。我们还探索了超表面发光峰的偏振特性以及泵浦光斑大小对于器件性能的影响,测试结果与理论预期一致。同时,我们对比无源空间光测试和有源PL发光测试的结果,首次实验证实了发光最强点与Fano谐振峰的对应关系,填补了这一研究领域上的空白。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

才走过了十多年的历史，但是由于其特异性引起的广泛关注，这一之后不断的拓展，对于超材料的定义也不断的拓宽。 来说，超材料是一种宏观的复合材料，可以是由周期性结构或者非，而组成超材料的结构单元是由人工设计的亚波长尺度上的结构，排布能使超材料具有自然材料所没有的新颖特性。另外，超材料所性是由单元结构的设计、排布以及组成物质本身的化学成分共同决素的改变都会极大地影响超材料的特性，但同时也增加了超材料在活性。 质上讲，超材料更是一种创新的人工材料设计理念，其立足点在于理学规律的深刻理解，尤其是物质材料对于电磁波产生响应的原之上，人们发现了自然材料在物理特性上的不完整性。超材料的提性的同时，自然而然就带来了更多新颖的功能，而在其随后的发展根据功能上的需求来设计所需要的超材料结构。

内的两种典型超材料结构[68]。(a)均匀周期性结构；(b)非周质 示出了两种在微波波段内的典型超材料结构。其中，图的超材料，在超材料这一概念被提出的最初阶段，这的研究。而图 1-3(b)中展示的则是一个非周期性结构质，但是其不同结构单元之间的距离依然是处于亚波度媒质能够实现更为新颖的功能。 中，人们在描述物质材料与电磁波相互作用时，使用与磁场特性：介电常数 ε 和磁导率 μ。介电常数表征，而磁导率是表征材料磁性的物理量，它们都是宏观气是最为稀疏的，以其介电常数0 和磁导率0 作为参数和相对磁导率可以被定义为：0/r 和/r

5图 1-4 根据介电常数和磁导率实部的正负号对材料实现分类的示意图[68] 自然界中，大部分介质材料都是非磁性的，磁导率等于0 ，同时，它们实部通常为大于0 的正值。另外，金属材料的介电常数实部通常为负值。中的材料在这两个参数上有着极大的局限性，在科学的飞速发展下，自难以满足人们的需求。超材料的出现为我们突破这一局限性提供了极大，通过有效设计结构单元以及使用不同的结构和衬底材料，调制对外加可以实现所有可能的 和 值。在图 1-4 中展示的平面示意图中，横坐 的实部，而纵坐标是磁导率 的实部，根据这两个参数的正负把各向损耗的材料特性分为四类（只包含 和 的实部，没有虚部所以没有损耗象限（ 0， 0）代表右手材料（Right-handed materials，RHM），熟知的材料，电磁波在其中的相位传播方向与能流方向相同。第二象限（
【参考文献】

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1 Rongzhen Li;Zhongyi Guo;Wei Wang;Jingran Zhang;Keya Zhou;Jianlong Liu;Shiliang Qu;Shutian Liu;Jun Gao;;Arbitrary focusing lens by holographic metasurface[J];Photonics Research;2015年05期

2 Wei Wang;Zhongyi Guo;Rongzhen Li;Jingran Zhang;Yi Liu;Xinshun Wang;Shiliang Qu;;Ultra-thin,planar,broadband,dual-polarity plasmonic metalens[J];Photonics Research;2015年03期

本文编号：2873941