基於亞波長結構實現高效發光器件的研究

《基於亞波長結構實現高效發光器件的研究》是依託南京大學，由張學進擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於亞波長結構實現高效發光器件的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張學進
• 依託單位：南京大學

項目摘要

諧振腔結構和光子晶體結構有利於提高發光器件的發光效率，表面等離激元也被證實可以用來提高發光效率，也因此成為這些年來的研究熱點，除了表面等離激元，局域等離諧振也能被用來增強發光效率。從下至上法製備的半導體納米線/帶因為其高的晶體質量、具有光滑表面的諧振腔結構，已經被人們用來做成納米雷射器。如果將這種高效納米發光材料的發光效率進一步提高，則會推進其走向實際套用的步伐。我們引入亞波長結構來實現這一目的，在理論上設計並計算出這一體系的色散關係，進一步藉助於有限元和有限差分方法深入研究這一系統。實驗上利用EBL、FIB、SEM、AFM等微/納加工技術製備與表征一維、二維和三維金屬亞波長納米結構，最終實現對半導體納米線/帶的發光性能以及亞波長光傳播的調控，探索其在高效納米發光器件上的套用。

結題摘要

從光與物質相互作用這一基本物理問題出發，深入系統地研究了金屬參與亞波長結構的基本物理特性，如增強透射、偏振旋轉、波導傳播、諧振腔、耦合諧振、場增強、能帶結構等。理論上，通過解析編程、有限元法以及時域有限差分法等模擬計算亞波長結構的光子能帶結構、模式特徵、場強分布、能量分配、耦合出射等特性；實驗上經由材料生長及製備、EBL與FIB等先進加工手段、納米線與二維材料的轉移技術、微納工藝、以及具有光譜分辨、空間分辨、時間分辨、角度分辨、偏振分辨等的精密光學測量，實現發光器件的製備、表征以及對其性能的全方位認識。分析比較實驗與理論結果，逐步調整、改進和最佳化亞波長結構設計以及材料性能，為發光器件效率的提高總結並提取了物理規律，為高效發光器件的研製提供了有效指導。 通過表面等離激元能帶結構設計，利用帶邊高能態密度增強螢光發射，並獲得最最佳化的結構參數，如光柵凹槽的占空比為1/4時帶隙最大，增強效果最佳；當F-P腔模式與表面等離激元帶邊模式相耦合時，自發輻射譜的半高寬最小，放大式自發輻射的閾值也最低；通過局域表面等離諧振與表面等離激元相耦合等耦合諧振機制可實現出射偏振的可控旋轉；研究了ZnO納米線的F-P、WGM諧振行為及其與周圍環境的依賴關係，如SiO2、Si、graphene、graphite、Au、Ag、Al等基板，觀測到ZnO納米線在UV波段的激子發光增強達到3個數量級，進一步結合亞波長結構，可實現對表面等離激元模式的傳播控制與發光性能調控。對納米線腔諧振規律的掌握與控制將促進高效光源以及低閾值電驅動亞波長可調雷射器的研製。其它相關工作包括：高品質耦合諧振器、表面增強拉曼散射、以及納米材料介電函式及傳播模式的有效折射率測量等。