基于表面等離激元的光伏和傳感器件設計與調控.pdf

1、表面等離激元(surface plasmon)是金屬導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)下能夠形成極強的電場增強和局域。表面等離激元學是隨著納米科學與技術發(fā)展而形成的一門新興學科，主要研究亞波長結構獨特的光學特性及其在納米尺度上對光的操縱，它也是納米光子學的重要組成部分。根據其傳輸特性不同，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)。通過改變亞波長結構的形貌、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、場局域、場分布、輻射等特性進行有效調控，進而實現納米尺度光-物質相互作用的操控。因此，表面等離激元在太陽電池、熒光增強、表面增強拉曼散射、表面增強紅外、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用。同時，表面等離激元在取代傳統(tǒng)的光子學器件和電子學器件，實現小型化、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構表面等離激元性質的研究，將等離激元用于光伏器件、傳感器件和電磁誘導透明器件的設計和性能提升。
　　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，闡述了表面等離激元對電場的增強、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狀與應用，并對等離激元發(fā)展的若干挑戰(zhàn)進行了論述;同時，我們概述了時域有限差分法(Finite Differ

4、enceTime Domain Method)數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空間層對光場的綜合調控作用，設計了一種“光學空間層調制的等離激元電池”。在我們設計的電池中，集成了光學空間層對電場的干涉調制和等離激元前向散射的雙重優(yōu)勢，不僅使光場強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，實現了電池的寬度吸收增強。我們設計的等離激元太陽電池最大的短路電流密度

5、達到11.1 mA/cm2，增強因子高達1.67。此外，這種電池對結構參數具有良好的兼容性，可以在很大的參數范圍實現50％以上短路電流密度的增強。
　　在第三章中，我們設計了金屬納米棒周期陣列價電層/金屬鏡的復合等離激元結構，實現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激發(fā)。通過上述兩種模式的耦合實現了Fano共振設計，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結構間隙的苛刻限制。通過改變結構

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行獨立調控，進而能夠實現對能級重疊、模式耦合以及Fano共振線型的有效調控?；谶@種結構設計的環(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937 nm/RIU，局域等離激元共振模式的傳感品質可高達10.42，遠高于傳統(tǒng)局域等離激元傳感器件。
　　在第四章中，我們設計了等離激元“納米棒-U型劈裂環(huán)”復合結構，利用納米棒電偶極共振誘導U型劈裂環(huán)磁偶極共振，實

7、現了等離激元誘導的電磁誘導透明效應。分析表明這種電磁誘導透明效應的機理是: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致納米棒的近場電場強度降低和透明增強。我們通過改變復合結構中的間隙和平面位移，能夠顯著調控復合結構的電磁誘導透明的程度。
　　在第五章中，我們針對表面等離激元發(fā)展的挑戰(zhàn)，側重對表面等離激元傳播損耗、表面等離激元主動調控器件及光頻磁共振的研究與發(fā)展進行