光子晶体复合结构增强宽带光吸收和发光的研究

发布时间：2017-09-09 07:25

  本文关键词：光子晶体复合结构增强宽带光吸收和发光的研究

  更多相关文章： 光子晶体 宽带吸收 白光LED 红外LED 时域有限差分法 严格耦合波分析法

【摘要】：高效的宽带光吸收器在光伏系统、光电检测、军事隐身等方面有着广泛应用。1982年,Yablonovitch提出了在均匀Si薄膜内的光吸收极限。然而,Yablonovitch极限仅适用于几何光学,对于亚波长结构,通过合理地设计结构,其吸收效率会远远超过Yablonovitch极限。目前,科学家们已经提出了很多含贵金属材料的周期性微纳光耦合结构来实现太阳光吸收的增强,但周期性结构只能实现在共振模处的窄带高吸收。白光LED作为一种重要的发光元件,它的应用渗透到各个领域,比如照明、显示器等。由于采用单晶型LED产生白光的发光方式与多晶型相比,在驱动电路上的设计会较为容易,成本较低,故通常采用单晶型产生白光。利用紫外光LED加RGB三波长荧光粉来达到白光的效果,其发光效率比采用蓝光LED来激发好上许多。如今,由于越来越高的商业需求,白光LED的发光效率也需要进一步提高。由于红外LED逐渐广泛应用于空间光通信、地质勘测、红外照明以及摄像监控等方面,因此提高近红外LED的发光效率也越来越重要。为克服以上吸收带宽窄和LED发光效率低的问题,研究者采用光子晶体复合结构,实现了:(1)TM模式下,覆盖近紫外至红外波段内的高效、宽带、宽角度太阳能的吸收增强,且在红外波段超过了Yablonovitch极限;(2)TM模式和TE模式同时实现覆盖近紫外至红外波段内的高效、宽带、宽角度太阳能的吸收增强,且在红外波段超过了Yablonovitch极限;(3)实现了紫光、蓝光、绿光以及红光波段的高反射,有利于提高量子点的发光效率,可应用于增强白光LED的发光;(4)实现了近红外波段的高反射,从而提高红外LED的发光效率。利用严格耦合波分析法(RCWA)和有限时域差分法(FDTD),对结构的透射、反射、吸收、场强分布以及入射角度变化的影响作分析,主要研究内容及成果如下:1、将表面设有一维光子晶体结构的Si薄膜以及底部随机金属三角反射板结合,得到:对于TM模,覆盖0.3~9.9μm的高吸收,平均吸收效率高于60%,且入射角度变化对吸收效率影响不大。2、对上述结构进行拓展,将表面设有二维光子晶体结构的Si薄膜以及底部二维随机倒金字塔形金属反射板结合,得到:s偏振和p偏振同时实现0.3~9.9μm的宽带光吸收,且吸收效率对入射角度变化不敏感。3、设计了(SiO_2/TiO_2)N结构,实现了紫外波段的窄带高反射,蓝色、绿色和红色波段的宽带高反射,从而增强紫色LED的激发和蓝色、绿色、红色发光物质的发光,最终增强的白光LED的发光。且当入射角度在0°~25°内以及TiO_2的厚度在40 nm~54 nm内,高反射波段基本不变,从而降低了制备难度。4、设计了(SiO_2/Si)N结构,实现了近红外波段的高反射,从而增强近红外LED的发光效率。
【关键词】：光子晶体 宽带吸收 白光LED 红外LED 时域有限差分法 严格耦合波分析法
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 光子晶体简介11-15
• 1.1.1 光子晶体的主要特性及应用12-14
• 1.1.2 光子晶体的研究方法14-15
• 1.2 量子点简介15-17
• 1.3 本文的主要工作17-18
• 第二章 一维光子晶体复合结构增强宽带光吸收18-26
• 2.1 光吸收器及其研究现状18-19
• 2.2 一维光子晶体复合结构增强宽带光吸收19-24
• 2.2.1 结构周期和入射光角度对吸收效率的影响19-20
• 2.2.2 结构吸收增强的物理机制研究20-22
• 2.2.3 结构的场强增强研究22-23
• 2.2.4 光伏结构的周期和厚度选择规律23-24
• 2.3 本章小结24-26
• 第三章 二维光子晶体复合结构增强宽带光吸收26-34
• 3.1 二维光子晶体及其特性你26
• 3.2 二维光子晶体复合结构增强宽带光吸收26-32
• 3.2.1 结构周期和入射光角度对吸收效率的影响27-28
• 3.2.2 s和p偏振下同时实现吸收增强的物理机制研究28-29
• 3.2.3 光伏结构的周期和厚度选择规律29-31
• 3.2.4 结构场强分布研究31-32
• 3.3 本章小结32-34
• 第四章 光子晶体复合结构提高白光LED发光效率的研究34-42
• 4.1 白光LED的发光机制34
• 4.2 光子晶体复合结构增强白光LED发光效率34-40
• 4.2.1 (TiO_2/SiO_2)周期对结构反射效率的影响35-36
• 4.2.2 参数d1和d2对结构反射效率的影响36-38
• 4.2.3 场强分布38
• 4.2.4 量子点发射增强研究38-40
• 4.2.5 入射角度对结构反射效率的影响40
• 4.3 本章小结40-42
• 第五章 光子晶体复合结构增强红外LED发光效率42-48
• 5.1 红外LED及其应用42
• 5.2 光子晶体复合结构增强红外LED发光效率的研究42-46
• 5.2.1 (SiO_2/Si)周期对结构反射效率的影响43
• 5.2.2 参数H对结构反射效率的影响43-44
• 5.2.3 场强分布44-45
• 5.2.4 量子点发光功率研究45
• 5.2.5 入射角度对反射效率的影响45-46
• 5.3 本章小结46-48
• 第六章 总结与展望48-50
• 参考文献50-56
• 致谢56-58
• 攻读硕士学位期间的学术成果58

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