半导体光学属性的调控及其在表面等离激元中的应用

发布时间：2018-05-03 03:09

  本文选题：表面等离激元 + 半导体　； 参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是电磁波在电介质和导体界面传播的一种电磁模式,可将能量局域在亚波长尺度内,同时产生场增强,其与超材料的结合驱动了光学纳米天线、超透镜、光学隐身斗篷等新型功能器件的产生,在通讯技术、生化探测、医学成像、军事隐身设计、纳米激光器、太阳能电池等众多领域有广泛的应用前景。由于金属电子的带间跃迁会造成巨大损耗,低损耗的半导体成为当前研究的热点。氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)等透明导电半导体的光学属性可以通过生长条件或外加电压进行调制,进而实现对SPP的主动调控,有助于新型主动光子器件的研发,对SPP器件和超材料的研究具有重要意义。本论文对使用铌酸锂(Lithium Niobate,LN)实现ITO的静电改性并激发SPP进行了探讨,利用ITO的可调属性实现了双曲超材料(Hyperbolic Metamaterials,HMMs)近零介电常数(Epsilon-Near-Zero,ENZ)的调控。最后,提出铌酸锂铁电畴精确调控石墨烯的介电属性实现SPP开关调制的方案,并从理论和数值模拟角度进行了分析。首先,基于铌酸锂的光伏效应实现了ITO/LN界面的静电改性并利用光折变光栅实现了SPP的激发。使用单中心Kukhtarev模型分析了铌酸锂中的光折变和光伏作用;综合介绍了常用的半导体界面改性理论,包括Debye-Huckel模型、Thomas-Fermi模型、量子流体动力学模型和Lindhard理论;从实验出发分析了ITO/LN系统中界面处由于光伏作用产生的电荷积累,并计算了ITO光学属性的变化,根据实验测量得到的光折变相位光栅分布,通过光栅波矢匹配方程证实了SPP的激发并给出了其色散能带结构,分析了SPP对透射谱和反射谱的影响,阐释了SPP在表面法线方向散射动态和二波耦合过程中对能量转移过程的作用。其次,设计了基于ITO的在可见光和近红外波段主动可调ENZ点的双曲超材料。分析了HMMs的基本属性,给出了获得有效介电常数的有效介质理论公式。对比了传统的金属/电介质双曲超材料结构-Al/Hf O2和插入10 nm ITO形成的Al/HfO2/ITO/HfO2/Al结构,并利用ITO的双电荷聚集层在不同电压下的改性程度不同,实现了精确动态调控HMMs的拓扑相变点,将面外ENZ点从近红外移动到可见光光谱范围内。利用有效介质理论阐释了ENZ点产生的原因,并根据ITO在外加电压下的属性变化对ENZ点的变化趋势进行了分析,通过传输矩阵获得HMMs中的波矢kz,从波矢角度分析ENZ对HMMs的影响。最后,基于铌酸锂的铁电极化畴实现对石墨烯中SPP传输的调控,理论和数值模拟实现了铁电材料/石墨烯结构的SPP调制器功能。首先介绍了石墨烯的基本光学属性,并对随机相位近似和半经典的石墨烯表面电导两种模型下的电导和介电常数进行了对比,阐述了带间跃迁和带内跃迁的作用。其次介绍了铌酸锂的表面电荷,对比了不同方法得到的表面电荷密度。最后通过空气/石墨烯/铌酸锂结构的横磁波色散关系,分析了不同化学势下的SPP边穿透深度、入射波长与边穿透深度的比值及传输长度;在波长为5.0μm时,通过定义铁电极化畴的开关状态,分析了该结构调制器在不同铁电极化畴长度下的单位长度信号衰减、调制深度、功率比和品质因数,得到优化的铁电畴长度为70 nm左右,为基于铁电/石墨烯混合结构的SPP器件的设计提供了基础。
[Abstract]:The optical properties of ITO / LN interface are studied by using single - center Kukhtarev model . In this paper , the effects of the structure - Al / Hf O 2 and 10 nm ITO on HMMs are obtained by using the theory and numerical simulation of the structure - Al / Hf O 2 and 10 nm ITO .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O441;TB34

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本文编号：1836701