基于表面等离激元的光伏和传感器件设计与调控

【摘要】：表面等离激元(surface plasmon)是金属导带电子在入射光激发下形成的相干集体振荡,在共振激发下能够形成极强的电场增强和局域。表面等离激元学是随着纳米科学与技术发展而形成的一门新兴学科,主要研究亚波长结构独特的光学特性及其在纳米尺度上对光的操纵,它也是纳米光子学的重要组成部分。根据其传输特性不同,表面等离激元可划分为局域表面等离激元(localized surface plasmon, LSP)和表面等离激元极化激元(surface plasmon polaritions, SPPs)。通过改变亚波长结构的形貌、成分、间距以及所处的介电环境,可以对表面等离激元的共振响应、场局域、场分布、辐射等特性进行有效调控,进而实现纳米尺度光-物质相互作用的操控。因此,表面等离激元在太阳电池、荧光增强、表面增强拉曼散射、表面增强红外、环境传感器、光探测器、纳米激光器、纳米天线等方面有广泛应用。同时,表面等离激元在取代传统的光子学器件和电子学器件,实现小型化、集成化的高速回路元件方面也具有重要优势。本论文旨在通过对金属纳米结构表面等离激元性质的研究,将等离激元用于光伏器件、传感器件和电磁诱导透明器件的设计和性能提升。 在第一章中,我们主要介绍了局域等离激元和表面等离激元极化激元的基本性质,阐述了表面等离激元对电场的增强、汇聚方式及等离激元杂化理论对模式耦合的分析方法；着重讲述了表面等离激元的研究现状与应用,并对等离激元发展的若干挑战进行了论述；同时,我们概述了时域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method)数值处理表面等离激元问题的原理。 在第二章中,我们借助前向散射型等离激元和光学空间层对光场的综合调控作用,设计了一种“光学空间层调制的等离激元电池”。在我们设计的电池中,集成了光学空间层对电场的干涉调制和等离激元前向散射的双重优势,不仅使光场强度的极值主要分布在活性层区域,也使其吸收峰型与AM1.5太阳光谱匹配,实现了电池的宽度吸收增强。我们设计的等离激元太阳电池最大的短路电流密度达到11.1mA/cm2,增强因子高达1.67。此外,这种电池对结构参数具有良好的兼容性,可以在很大的参数范围实现50%以上短路电流密度的增强。 在第三章中,我们设计了金属纳米棒周期阵列/介电层/金属镜的复合等离激元结构,实现了纳米棒局域等离激元和介电层/金属镜界面的表面等离激元极化激元的同时激发。通过上述两种模式的耦合实现了Fano共振设计,突破了传统的、利用不同局域等离激元共振模式耦合对面内结构间隙的苛刻限制。通过改变结构尺寸和阵列周期,可以对局域等离激元和表面等离激元极化激元进行独立调控,进而能够实现对能级重叠、模式耦合以及Fano共振线型的有效调控。基于这种结构设计的环境传感器件,其表面等离激元极化激元共振模式的环境传感灵敏度可达937nm/RIU,局域等离激元共振模式的传感品质可高达10.42,远高于传统局域等离激元传感器件。 在第四章中,我们设计了等离激元“纳米棒-U型劈裂环’复合结构,利用纳米棒电偶极共振诱导U型劈裂环磁偶极共振,实现了等离激元诱导的电磁诱导透明效应。分析表明这种电磁诱导透明效应的机理是：沿x轴方向的偏振入射光激发纳米棒电偶极,电偶极通过近场耦合作用激发U型劈裂环的磁偶极,磁偶极与电偶极相干相消导致纳米棒的近场电场强度降低和透明增强。我们通过改变复合结构中的间隙和平面位移,能够显著调控复合结构的电磁诱导透明的程度。 在第五章中,我们针对表面等离激元发展的挑战,侧重对表面等离激元传播损耗、表面等离激元主动调控器件及光频磁共振的研究与发展进行了展望。 【关键词】：局域表面等离激元 表面等离激元极化激元 场增强 场局域 耦合 太阳电池 传感 Fano共振 电磁诱导透明
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O441.4;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-51
• 1.1 表面等离激元基础11-25
• 1.1.1 局域表面等离激元12-15
• 1.1.2 表面等离激元极化激元15-19
• 1.1.3 表面等离激元杂化理论19-20
• 1.1.4 表面等离激元对电磁场的增强和汇聚20-25
• 1.2 表面等离激元应用与挑战25-34
• 1.2.1 等离激元增强的光电器件25-26
• 1.2.2 等离激元增强的传感应用26-28
• 1.2.3 纳米光子学器件28-30
• 1.2.4 人工超材料30-34
• 1.3 时域有限差分法34-38
• 1.4 本论文的研究工作38-40
• 参考文献40-51
• 第二章 介电空间层调制的等离激元宽带吸收增强光伏电池设计与研究51-75
• 2.1 引言51-53
• 2.2 计算模拟方法介绍53-55
• 2.3 介电空间层调制的电池特性研究55-60
• 2.3.1 光学空间层厚度对电池性能的影响55-58
• 2.3.2 介电层折射率对电池性能的影响58-60
• 2.4 前向散射型等离激元电池特性研究60-65
• 2.4.1 结构尺寸对电池性能的影响61-63
• 2.4.2 阵列周期对电池性能的影响63-65
• 2.5 光学空间层调制的等离激元复合型电池研究65-71
• 2.5.1 复合型电池设计及吸收增强研究65-70
• 2.5.2 复合型电池短路电流的优化70-71
• 2.6 本章小结71-72
• 参考文献72-75
• 第三章 表面等离激元耦合诱导的Fano共振及其应用研究75-99
• 3.1 引言75-79
• 3.2 结构设计和计算方法79-82
• 3.3 谱学特征与起源82-87
• 3.3.1 主要谱学特征82-84
• 3.3.2 模式起源分析84-87
• 3.4 模式调控87-92
• 3.4.1 纳米棒尺寸的影响88-89
• 3.4.2 阵列周期的影响89-90
• 3.4.3 介电层作用的影响90-92
• 3.5 Fano共振传感特性研究92-93
• 3.6 本章小结93-95
• 参考文献95-99
• 第四章 表面等离激元电偶极和磁偶极耦合诱导的电磁透明99-119
• 4.1 引言99-105
• 4.2 结构设计和模拟方法介绍105-106
• 4.3 纳米棒与U型劈裂环的谱学特性106-110
• 4.3.1 纳米棒的谱学特性106-107
• 4.3.2 U型劈裂环的谱学特性107-110
• 4.4 等离激元结构的电磁诱导透明及其调控110-112
• 4.5 小结112-114
• 参考文献114-119
• 第五章 后续工作暨展望119-125
• 5.1 等离激元传播损耗119-120
• 5.2 主动调控等离激元器件120-121
• 5.3 光频磁共振121-123
• 参考文献123-125
• 攻读博士期间发表论文情况125-127
• 致谢127-128

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