金属表面等离子激元增强半导体材料发光特性研究
发布时间：2020-07-29 10:46
【摘要】：近年来,金属局域表面等离子激元共振(LSPR)被证明是提高半导体材料发光效率的有效方法。当半导体中激子/光子的能量与金属局域表面电子振动能相似时,能量将与局域表面等离子激元(LSP)耦合,辐射到自由空间中。本文通过理论模拟对LSPR耦合效应进行研究分析,并利用金属纳米颗粒修饰半导体材料,实现其光致发光(PL)增强,主要研究如下:(1)采用时域有限差分法(FDTD)数值模拟不同金属形状的局域场增强效果。研究证明椭球形纳米颗粒相比于立方体、圆柱体和三角棱柱,Purcell增强因子提高了近3.5倍;此外,模拟椭球形、双球型和双核壳球型纳米颗粒的长轴L、短轴R、环境材料折射率n和光源距离d等变量对增强因子的影响,实现不同程度光场增强及共振波长可调谐。(2)通过理论和实验分别利用Au纳米颗粒LSPR耦合效应,实现GaAs薄膜的近场发光增强。经过理论计算Au纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,研究分析共振耦合频率与Au颗粒尺寸之间的关系。在此基础上,通过调控磁控溅射时间的方式在GaAs薄膜表面制备不同尺寸的Au颗粒,实现近10倍的PL增强。(3)从理论和实验上分别利用金属纳米颗粒LSPR耦合效应,实现ZnO纳米线的近场发光增强。理论构建ZnO微腔光学模型,利用Ag颗粒对微腔六个面进行修饰,实现局域光场增强,并将光场限制效率提高了6.72%。在此基础上,用制备的Au、Ag纳米溶胶对ZnO纳米线的表面进行修饰,分别实现紫外本征复合的发光增强以及可见缺陷发光的抑制。(4)通过水热合成制备铜镓氧(CuGaO_2,CGO)纳米片,并成功制备CGO纳米片/ZnO纳米线异质结结构。通过PL测试得到位于392.32nm处的紫外发光,与纯ZnO的PL光谱相比,紫外发光峰出现红移及光谱展宽(近2.5倍)等现象。此外,研究发现p-n结之间内建电场可以产生次带隙吸收效应。这项研究为实现金属纳米颗粒共振耦合增强ZnO基光电器件紫外发光效率提供了一种高性能的p型材料。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304
【图文】：
图 1.1 最早发现 SP 存在：（a）莱克格斯杯图；（b）教堂玻璃彩色花窗图属 SP 的研究可以追溯到 19 世纪末，1902 年，Wood 观察并记录了可见光光栅后，反射光谱的反常衍射现象[3]。1941 年，Fano 首次提出了金属 SP 为该现象奠定了理论基础[4]。金属 SP 的出现提供了一种在纳米尺度下处。根据金属材料结构形式的不同，金属 SP 通常可以分成两大模式：如图示，局域表面等离子激元（Loclized Surface Plasmon, LSP）和图 1.2（b面等离极化激元（Surface Plasmon polaritons, SPPs）。纳米颗粒吸引人的要体现在金属 LSPR 耦合应用上，LSPR 是由电介质包围的金属纳米颗粒体振荡而产生的一种光学现象[5]。典型的等离子激元材料是贵金属，如 A 等。其中 Ag 的表现比 Au 更清晰、具有更强的 LSPR 带，但 Au 纳米颗定性更高，因此在生物传感方面有着很好的应用前景；而 SPPs 波在金属播存在较为严重的能量损耗，一般仅在短范围内传输。
图 1.1 最早发现 SP 存在：（a）莱克格斯杯图；（b）教堂玻璃彩色花窗图金属 SP 的研究可以追溯到 19 世纪末，1902 年，Wood 观察并记录了可见属光栅后，反射光谱的反常衍射现象[3]。1941 年，Fano 首次提出了金属 S并为该现象奠定了理论基础[4]。金属 SP 的出现提供了一种在纳米尺度下式。根据金属材料结构形式的不同，金属 SP 通常可以分成两大模式：如所示，局域表面等离子激元（Loclized Surface Plasmon, LSP）和图 1.2（表面等离极化激元（Surface Plasmon polaritons, SPPs）。纳米颗粒吸引人主要体现在金属 LSPR 耦合应用上，LSPR 是由电介质包围的金属纳米颗集体振荡而产生的一种光学现象[5]。典型的等离子激元材料是贵金属，如Pt 等。其中 Ag 的表现比 Au 更清晰、具有更强的 LSPR 带，但 Au 纳米稳定性更高，因此在生物传感方面有着很好的应用前景；而 SPPs 波在金传播存在较为严重的能量损耗，一般仅在短范围内传输。
第 1 章 绪论光强度，比如 GaN 材料、ZnO 材料等。近年来，国内外各课题组在此方究并取得了一定的成果。2007 年新加坡研究人员 A.P.Abiyasa 等人研究了金属 SP 对高度无序 ZnO 激射特性的影响[7]。他们发现在 120nm 厚的 ZnO 多晶薄膜上蒸镀 60nm 厚可以使器件的发光效率提高 5.5 倍，如图 1.3 所示。
本文编号：2773859
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304
【图文】：
图 1.1 最早发现 SP 存在：（a）莱克格斯杯图；（b）教堂玻璃彩色花窗图属 SP 的研究可以追溯到 19 世纪末，1902 年，Wood 观察并记录了可见光光栅后，反射光谱的反常衍射现象[3]。1941 年，Fano 首次提出了金属 SP 为该现象奠定了理论基础[4]。金属 SP 的出现提供了一种在纳米尺度下处。根据金属材料结构形式的不同，金属 SP 通常可以分成两大模式：如图示，局域表面等离子激元（Loclized Surface Plasmon, LSP）和图 1.2（b面等离极化激元（Surface Plasmon polaritons, SPPs）。纳米颗粒吸引人的要体现在金属 LSPR 耦合应用上，LSPR 是由电介质包围的金属纳米颗粒体振荡而产生的一种光学现象[5]。典型的等离子激元材料是贵金属，如 A 等。其中 Ag 的表现比 Au 更清晰、具有更强的 LSPR 带，但 Au 纳米颗定性更高，因此在生物传感方面有着很好的应用前景；而 SPPs 波在金属播存在较为严重的能量损耗，一般仅在短范围内传输。
图 1.1 最早发现 SP 存在：（a）莱克格斯杯图；（b）教堂玻璃彩色花窗图金属 SP 的研究可以追溯到 19 世纪末，1902 年，Wood 观察并记录了可见属光栅后，反射光谱的反常衍射现象[3]。1941 年，Fano 首次提出了金属 S并为该现象奠定了理论基础[4]。金属 SP 的出现提供了一种在纳米尺度下式。根据金属材料结构形式的不同，金属 SP 通常可以分成两大模式：如所示，局域表面等离子激元（Loclized Surface Plasmon, LSP）和图 1.2（表面等离极化激元（Surface Plasmon polaritons, SPPs）。纳米颗粒吸引人主要体现在金属 LSPR 耦合应用上，LSPR 是由电介质包围的金属纳米颗集体振荡而产生的一种光学现象[5]。典型的等离子激元材料是贵金属，如Pt 等。其中 Ag 的表现比 Au 更清晰、具有更强的 LSPR 带，但 Au 纳米稳定性更高，因此在生物传感方面有着很好的应用前景；而 SPPs 波在金传播存在较为严重的能量损耗，一般仅在短范围内传输。
第 1 章 绪论光强度，比如 GaN 材料、ZnO 材料等。近年来，国内外各课题组在此方究并取得了一定的成果。2007 年新加坡研究人员 A.P.Abiyasa 等人研究了金属 SP 对高度无序 ZnO 激射特性的影响[7]。他们发现在 120nm 厚的 ZnO 多晶薄膜上蒸镀 60nm 厚可以使器件的发光效率提高 5.5 倍，如图 1.3 所示。
【参考文献】
相关博士学位论文 前4条
1 林毅;氧化锌/金属复合纳米结构的制备及其光学性质研究[D];东南大学;2015年
2 张建;GaAs基近红外半导体激光器的设计、生长和制备研究[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
3 纪小会;胶体纳米晶的水相合成与室温表面配体化学[D];吉林大学;2007年
4 贾慧颖;银纳米粒子的制备、表征及其表面增强拉曼散射活性研究[D];吉林大学;2006年
相关硕士学位论文 前1条
1 柴雅婷;纳米结构金属表面等离子体共振的理论研究[D];东北石油大学;2015年
本文编号：2773859
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