基于表面等离激元金属-介质-金属的超材料吸收器的性质研究
发布时间：2021-01-16 03:19
表面等离激元（Surface Plasmon,SPs）是金属-介质界面处自由电子的集体振荡与传播电磁波的耦合模式,SPs能够打破传统光学中衍射极限的限制,具有很强的局域电磁场增强效应。由于SPs独特的电磁特性,在能源、生物医学、信息等领域展现出了极大的应用前景。而基于表面等离激元的金属-介质-金属结构的超材料可以将光场高度局域在纳米尺度的中间介质层的微腔内,并在特定的频段实现宽波段和窄带的完美吸收增强特性,且超材料器件因集成度高、体积小、成本低等优点,在太阳能电池、生物传感等领域都得到了广泛的应用。本论文介绍了表面等离激元的机理,以及基于表面等离激元设计的金属-介质-金属超材料的吸收器,在紫外-可见-近红外波段具有良好的吸收效应,通过研究吸收器的结构设计、光学特性及其物理机理,进一步探索其在太阳能电池、传感中的应用,论文具体包括以下几个方面:1、介绍了表面等离激元的概念、色散关系、以及激发方式。并对两种常用的计算电磁波的数值仿真方法有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）进行了相关的介绍。本文超材料吸收器的设计主要是运用时域有限差分法对结构进行了仿真模拟。2、设计了一种基于Au圆...
【文章来源】：江西师范大学江西省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-介质界面等离激元电磁场分布图[37]
基于表面等离激元金属-介质-金属的超材料吸收器性质研究5xizkmzxizkmmxxizkymmmeewAzEeekwAzEzeeAH010111（1-8）由边界条件，金属和介质在界面处具有连续性可知：21AA，且012mdkk（1-9）一般情况下，电介质材料的介电常数0d,由上式可知，金属介电常数的实部0Rem，表面等离激元的产生必须在介电常数实部相反的两种材料的分界面上，则磁场yH符合以下波动方程的关系式：ddmmkkkk20222022（1-10）将上述关系式代入（1-10）中，可以得到表面等离激元在金属介质分界面上的色散关系：dmdmsppkk0（1-11）对于TE模式的电磁波，由于电场和磁场的边界条件中的场分量连续性，代入到波动方程中有零解，所以TE模式的电磁波不能在金属介质的表面上激发表面等离激元，只有TM模式的电磁波可以激发。图1.2金属-介质界面处电磁场能量的指数衰减示意图[39]
工程硕士专业学位论文6如图所示，在金属介质界面处的SPPs电磁场能量在垂直于分界面呈指数形式衰减，可以知道其衰减系数为zdkem,图中可以求得电磁场进入金属m和介质d中的趋肤深度为：SPPs在金属里的趋肤深度为：212mmdmwc（1-12）SPPs在介质里的趋肤深度为：212dmddwc（1-13）由于dm，所以SPPs在金属和介质里的趋肤深度情况是不一样，在介质里的趋肤深度要大于在金属里的趋肤深度。一般情况下，在可见光和红外线区域，SPPs对金属的趋肤深度只有几十纳米，在介质里的趋肤深度可以达到亚波长量级几百纳米。并且SPPs的场分布在金属介质界面处的附近分布，在界面处有着最大的场能量。1.2.3局域表面等离激元局域表面等离激元（LSPs）是单个金属纳米颗粒表面的自由电子在电磁场环境下的电场分量驱动下，会产生集体振荡的现象，并局限在金属纳米颗粒表面附件的亚波长区域内，如下图1.3所示：图1.3局域表面等离子体共振[40]当入射光照射在金属纳米颗粒表面时，金属纳米颗粒表面的自由电子往复运动产生集体振荡。对于金属纳米颗粒表面产生表面等离激元的情况下，入射光
本文编号：2980057
【文章来源】：江西师范大学江西省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-介质界面等离激元电磁场分布图[37]
基于表面等离激元金属-介质-金属的超材料吸收器性质研究5xizkmzxizkmmxxizkymmmeewAzEeekwAzEzeeAH010111（1-8）由边界条件，金属和介质在界面处具有连续性可知：21AA，且012mdkk（1-9）一般情况下，电介质材料的介电常数0d,由上式可知，金属介电常数的实部0Rem，表面等离激元的产生必须在介电常数实部相反的两种材料的分界面上，则磁场yH符合以下波动方程的关系式：ddmmkkkk20222022（1-10）将上述关系式代入（1-10）中，可以得到表面等离激元在金属介质分界面上的色散关系：dmdmsppkk0（1-11）对于TE模式的电磁波，由于电场和磁场的边界条件中的场分量连续性，代入到波动方程中有零解，所以TE模式的电磁波不能在金属介质的表面上激发表面等离激元，只有TM模式的电磁波可以激发。图1.2金属-介质界面处电磁场能量的指数衰减示意图[39]
工程硕士专业学位论文6如图所示，在金属介质界面处的SPPs电磁场能量在垂直于分界面呈指数形式衰减，可以知道其衰减系数为zdkem,图中可以求得电磁场进入金属m和介质d中的趋肤深度为：SPPs在金属里的趋肤深度为：212mmdmwc（1-12）SPPs在介质里的趋肤深度为：212dmddwc（1-13）由于dm，所以SPPs在金属和介质里的趋肤深度情况是不一样，在介质里的趋肤深度要大于在金属里的趋肤深度。一般情况下，在可见光和红外线区域，SPPs对金属的趋肤深度只有几十纳米，在介质里的趋肤深度可以达到亚波长量级几百纳米。并且SPPs的场分布在金属介质界面处的附近分布，在界面处有着最大的场能量。1.2.3局域表面等离激元局域表面等离激元（LSPs）是单个金属纳米颗粒表面的自由电子在电磁场环境下的电场分量驱动下，会产生集体振荡的现象，并局限在金属纳米颗粒表面附件的亚波长区域内，如下图1.3所示：图1.3局域表面等离子体共振[40]当入射光照射在金属纳米颗粒表面时，金属纳米颗粒表面的自由电子往复运动产生集体振荡。对于金属纳米颗粒表面产生表面等离激元的情况下，入射光
本文编号：2980057
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