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表面等离子体激元局域发光增强效应研究

于丹丹  
【摘要】:表面等离子体激元(Surface plasmons,SPs)是一种局域在金属表面的电磁波,具有局域场增强效应和高态密度。理解金属SPs局域特性对半导体发光结构自发辐射、内量子效率的影响具有重要应用价值。本文从能量守恒的角度出发,从理论上详细分析了SPs与半导体发光结构耦合时三种能量传递的方式及其过程,对发光过程中涉及到的光子态密度、电子态密度、自发辐射速率等微观量子力学参数进行详细的分析研究。根据费米黄金定则,研究了电子空穴对在等离子体激元波的作用下自发辐射速率的变化,其中偶极子矩阵元与金属的距离起着重要的作用。通过详细的分析金属等离子体激元与半导体耦合的发光过程,为人们对等离子体激元耦合光电子器件研究提供了一定思路。本文利用有限元算法(FEM)和时域有限差分算法(FDTD)研究了以硅为代表的间接带隙半导体发光结构与表面等离子体激元的耦合作用。分析了典型的金属纳米粒子的尺寸、周期对Si基结构等离子体激元共振峰的影响。此外,由于Si基半导体结构发光效率较低,引入了尖端效应增强Si基结构的发光功率。有限元分析显示,等离子体激元耦合对间接带隙发光材料光效提高显著。本文对GaN直接带隙材料发光结构的Purcell效应进行研究,通过Purcell因子与等离子体激元共振峰的关系,研究金属球形纳米粒子的材料、直径、间距以及电子空穴对发光的位置对GaN基发光结构自发辐射速率的影响。同时,设计了多量子阱GaN发光结构模型求得平均Purcell因子,并通过光子寿命测试分析实验样品寿命衰减曲线,验证Purcell因子与光子寿命的关系。实验所得寿命值与理论值的平均相对误差小于0.07。


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