表面等离子体激元局域发光增强效应研究

发布时间：2020-11-21 15:52

　　 表面等离子体激元(Surface plasmons,SPs)是一种局域在金属表面的电磁波,具有局域场增强效应和高态密度。理解金属SPs局域特性对半导体发光结构自发辐射、内量子效率的影响具有重要应用价值。本文从能量守恒的角度出发,从理论上详细分析了SPs与半导体发光结构耦合时三种能量传递的方式及其过程,对发光过程中涉及到的光子态密度、电子态密度、自发辐射速率等微观量子力学参数进行详细的分析研究。根据费米黄金定则,研究了电子空穴对在等离子体激元波的作用下自发辐射速率的变化,其中偶极子矩阵元与金属的距离起着重要的作用。通过详细的分析金属等离子体激元与半导体耦合的发光过程,为人们对等离子体激元耦合光电子器件研究提供了一定思路。本文利用有限元算法(FEM)和时域有限差分算法(FDTD)研究了以硅为代表的间接带隙半导体发光结构与表面等离子体激元的耦合作用。分析了典型的金属纳米粒子的尺寸、周期对Si基结构等离子体激元共振峰的影响。此外,由于Si基半导体结构发光效率较低,引入了尖端效应增强Si基结构的发光功率。有限元分析显示,等离子体激元耦合对间接带隙发光材料光效提高显著。本文对GaN直接带隙材料发光结构的Purcell效应进行研究,通过Purcell因子与等离子体激元共振峰的关系,研究金属球形纳米粒子的材料、直径、间距以及电子空穴对发光的位置对GaN基发光结构自发辐射速率的影响。同时,设计了多量子阱GaN发光结构模型求得平均Purcell因子,并通过光子寿命测试分析实验样品寿命衰减曲线,验证Purcell因子与光子寿命的关系。实验所得寿命值与理论值的平均相对误差小于0.07。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441.4;O646.9
【部分图文】：

金属的谐振频率与ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子眺所发出的光频率在光谱上发生重叠，其中??当金属层材料为Ａｇ，层厚为１０ｎｍ时，光致发光（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ＰＬ）谱峰??值强度提高１４倍，相应结构和ＰＬ谱如图１－１所示。??１８?－Ｉ?．?１?．????２４－１???１?．?，???，???，??ｊ－??＝１５?／＼?ｄ２０＇??？．?１２?／?Ａ?ｒｉ，?１６??ｉ：ＬＡｊ?ｓ：ｙｄ??４８０?５２０?５６０?６００?６４０?５?１?０?１?５?２０?２５?３０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）?Ｃｕｒｒｅｎｔ?（ｍＡ）??（ａ）?（ｂ）??图１－２?（ａ）丨ｎＧａＮ／ＧａＮ单量子阱ＬＥＤ在２０ｍＡ电流下的电致发光谱；（ｂ）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ单量子阱??ＬＥＤ的电流与电致发光强度的关系??然而，使用连续金属膜几乎不能控制等离子体共振波长，而使用金属纳米颗??粒可以克服这些限制，通过改变金属纳米粒子的尺寸和几何形状来微调局域等离??激兀（ｌｏｃａｌ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｐｌａｓｍｏｎ，?ＬＳＰ）的共振峰位置。２００８年，台湾的Ｈｕａｎｇ等人丨２６］??在发光波长为５５０ｎｍ的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ单量子阱ＬＥＤ顶部生长Ａｇ纳米颗粒

（ａ）?（ｂ）??图１－１?（ａ）ＧａＮ量子阱与金属等离子体耦合结构示意图；（ｂ）不同金属的表面等离子体激??元与量子阱耦合的光致发光谱??ＩＩＩ－Ｖ族化合物半导体材料发光领域：在２００４年，Ｏｋａｍｏｔｏ等人｜２５］通过在??ＧａＮ基发光结构上沉积金属层使发光效率得到很大的提高，研究表明这是由于??金属的谐振频率与ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子眺所发出的光频率在光谱上发生重叠，其中??当金属层材料为Ａｇ，层厚为１０ｎｍ时，光致发光（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ＰＬ）谱峰??值强度提高１４倍，相应结构和ＰＬ谱如图１－１所示。??１８?－Ｉ?．?１?．????２４－１???１?．?，???，???，??ｊ－??＝１５?／＼?ｄ２０＇??？．?１２?／?Ａ?ｒｉ，?１６??ｉ：ＬＡｊ?ｓ：ｙｄ??４８０?５２０?５６０?６００?６４０?５?１?０?１?５?２０?２５?３０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）?Ｃｕｒｒｅｎｔ?（ｍＡ）??（ａ）?（ｂ）??图１－２?（ａ）丨ｎＧａＮ／ＧａＮ单量子阱ＬＥＤ在２０ｍＡ电流下的电致发光谱；（ｂ）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ单量子阱??ＬＥＤ的电流与电致发光强度的关系??然而

样品Ｃ?（对１２ｎｍ厚的Ａｇ膜在２００°Ｃ下退火４０ｍｉｎ形成Ａｇ纳米颗粒），当通过??向该ＬＥＤ器件注入２０ｍＡ的电流时，电致发光峰值相比増强１５０％，结果分别??如图１－２所示。实验结果表明了?Ａｇ纳米粒子产生的ＬＳＰ波相比Ａｇ膜产生的ＳＰＰ??对发光结构的耦合作用更强，使结构的发光效率更高。????＾—ｐ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ????［????｜?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｍｅｔａｌ?ＮＰｓ??ｐ＾ｓａＮ?Ｍｅｔａｌ?ＮＰ?７?Ａ?…．２６ｎ＊？ｉ〇Ｋ??ｍ?ｍ?ａ?ｍ?ａ?￣?？?＼??ｐ－ＧａＮ?ｓｐａｃｅｒ?ｌａｙｅｒ?＾?Ｖ??—，丨?＾?｜?ｉｙｊ??ＢＨＢ｜?１Ｊ?Ｍｋ＼Ｍ＼ｉ＼??０?２０?４０?？０?８０?１００??Ｄｅｃａｙ?ｔｉｍｅ?（ｎｓ）??（ａ）?（ｂ）??ｗｉｔｈ?Ｐｔ?ＮＰｓ?ｗｔｔｈＡｇ?ＮＰｓ??＾?Ｔ？３．６８?ｎｓ＠１０Ｋ?ａ?ｔ？３．７７?ｎｓ＠１０Ｋ??＜〇?＼?？?＼??ｉＪ?ｍｍ?Ｈ丨?ｉ??０?２０?４０?６０?８０?１０?０?２０?４０?￥０?８０?１００??Ｄｅｃａｙ?ｔｉｍｅ?（ｎｓ）?Ｄｅｃａｙ?ｔｉｍｅ?（ｎｓ）??（ｃ）?（ｄ）??图１－３?（ａ）在ｐ－ＧａＮ中嵌入金属纳米粒子的深紫外ＧａＮ－ＬＥＤ结构示意图；深紫外ＧａＮ－ＬＥＤ??分别在（ｂ）没有金属ＮＰ、（ｃ）有ＡｇＮＰｓ、（ｄ）有ＰｔＮＰｓ时的时间分辨光致发光光谱，Ｔ＝１０Ｋ??２０１３年，Ｈｏｎｇ等人Ｐ７］利用Ａｇ和Ｐｔ纳米粒子研宄了?ＬＳＰ对近紫外发光二极??管（ＮＵＹ－ＬＥＤｓ）的增强效应
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本文编号：2893245