基于表面等離激元的光伏和傳感器件設(shè)計(jì)與調(diào)控.pdf

1、表面等離激元(surface plasmon)是金屬導(dǎo)帶電子在入射光激發(fā)下形成的相干集體振蕩，在共振激發(fā)下能夠形成極強(qiáng)的電場增強(qiáng)和局域。表面等離激元學(xué)是隨著納米科學(xué)與技術(shù)發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科，主要研究亞波長結(jié)構(gòu)獨(dú)特的光學(xué)特性及其在納米尺度上對光的操縱，它也是納米光子學(xué)的重要組成部分。根據(jù)其傳輸特性不同，表面等離激元可劃分為局域表面等離激元(localized surfaceplasmon，LSP)和表面等離激元極化激元(surfac

2、e plasmon polaritions，SPPs)。通過改變亞波長結(jié)構(gòu)的形貌、成分、間距以及所處的介電環(huán)境，可以對表面等離激元的共振響應(yīng)、場局域、場分布、輻射等特性進(jìn)行有效調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)納米尺度光-物質(zhì)相互作用的操控。因此，表面等離激元在太陽電池、熒光增強(qiáng)、表面增強(qiáng)拉曼散射、表面增強(qiáng)紅外、環(huán)境傳感器、光探測器、納米激光器、納米天線等方面有廣泛應(yīng)用。同時(shí)，表面等離激元在取代傳統(tǒng)的光子學(xué)器件和電子學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)小型化、集成化的高速回路元件

3、方面也具有重要優(yōu)勢。本論文旨在通過對金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離激元性質(zhì)的研究，將等離激元用于光伏器件、傳感器件和電磁誘導(dǎo)透明器件的設(shè)計(jì)和性能提升。
　　在第一章中，我們主要介紹了局域等離激元和表面等離激元極化激元的基本性質(zhì)，闡述了表面等離激元對電場的增強(qiáng)、匯聚方式及等離激元雜化理論對模式耦合的分析方法:著重講述了表面等離激元的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用，并對等離激元發(fā)展的若干挑戰(zhàn)進(jìn)行了論述;同時(shí)，我們概述了時(shí)域有限差分法(Finite Differ

4、enceTime Domain Method)數(shù)值處理表面等離激元問題的原理。
　　在第二章中，我們借助前向散射型等離激元和光學(xué)空間層對光場的綜合調(diào)控作用，設(shè)計(jì)了一種“光學(xué)空間層調(diào)制的等離激元電池”。在我們設(shè)計(jì)的電池中，集成了光學(xué)空間層對電場的干涉調(diào)制和等離激元前向散射的雙重優(yōu)勢，不僅使光場強(qiáng)度的極值主要分布在活性層區(qū)域，也使其吸收峰型與AM1.5太陽光譜匹配，實(shí)現(xiàn)了電池的寬度吸收增強(qiáng)。我們設(shè)計(jì)的等離激元太陽電池最大的短路電流密度

5、達(dá)到11.1 mA/cm2，增強(qiáng)因子高達(dá)1.67。此外，這種電池對結(jié)構(gòu)參數(shù)具有良好的兼容性，可以在很大的參數(shù)范圍實(shí)現(xiàn)50％以上短路電流密度的增強(qiáng)。
　　在第三章中，我們設(shè)計(jì)了金屬納米棒周期陣列價(jià)電層/金屬鏡的復(fù)合等離激元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了納米棒局域等離激元和介電層/金屬鏡界面的表面等離激元極化激元的同時(shí)激發(fā)。通過上述兩種模式的耦合實(shí)現(xiàn)了Fano共振設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)的、利用不同局域等離激元共振模式耦合對面內(nèi)結(jié)構(gòu)間隙的苛刻限制。通過改變結(jié)構(gòu)

6、尺寸和陣列周期，可以對局域等離激元和表面等離激元極化激元進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對能級重疊、模式耦合以及Fano共振線型的有效調(diào)控?；谶@種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)境傳感器件，其表面等離激元極化激元共振模式的環(huán)境傳感靈敏度可達(dá)937 nm/RIU，局域等離激元共振模式的傳感品質(zhì)可高達(dá)10.42，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)局域等離激元傳感器件。
　　在第四章中，我們設(shè)計(jì)了等離激元“納米棒-U型劈裂環(huán)”復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用納米棒電偶極共振誘導(dǎo)U型劈裂環(huán)磁偶極共振，實(shí)

7、現(xiàn)了等離激元誘導(dǎo)的電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)。分析表明這種電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)的機(jī)理是:沿x軸方向的偏振入射光激發(fā)納米棒電偶極，電偶極通過近場耦合作用激發(fā)U型劈裂環(huán)的磁偶極，磁偶極與電偶極相干相消導(dǎo)致納米棒的近場電場強(qiáng)度降低和透明增強(qiáng)。我們通過改變復(fù)合結(jié)構(gòu)中的間隙和平面位移，能夠顯著調(diào)控復(fù)合結(jié)構(gòu)的電磁誘導(dǎo)透明的程度。
　　在第五章中，我們針對表面等離激元發(fā)展的挑戰(zhàn)，側(cè)重對表面等離激元傳播損耗、表面等離激元主動調(diào)控器件及光頻磁共振的研究與發(fā)展進(jìn)行