利用金屬介質納米結構增強發(fā)光數(shù)值模擬研究

■■●1．3．1有限元法???????????????????????●1．3．1有限元法???????????????????????一1．3．2光束傳播法??????????????????????一1．3．3時域有限差分算法2．1．1麥克斯韋旋度方程2．1．2麥克斯韋旋度方程的差分形式2．2．1時諧源和脈沖源2．4數(shù)值穩(wěn)定性和數(shù)值色散分析2．5．1介質色散的經(jīng)典理論2．7本章小結 制LED。發(fā)光的物理過程2．5．1介質色散的經(jīng)典理論2．7本章小結 制LED。發(fā)光的物理過程3．3．1發(fā)光效率的定義????????????????????。LED的內量子效率●LED的數(shù)值仿真●4．1表面等離子體和表面等離激元14．3．2TM波入射到金屬．介質結構4．4金屬．介質數(shù)值仿真中的色散模型●4．5．44．3．2TM波入射到金屬．介質結構4．4金屬．介質數(shù)值仿真中的色散模型●4．5．4雙金屬納米橢球殼的增強效應4．6本章小結5．3仿真結果5．3．5N型GaN厚度J對LED發(fā)光輻射的影響5．4本章小結??????????????????????????一●of1PropertiesofMetal-DielectricNano■1．31．3．1FiniteElement1．3．2FiniteDifferenceTuneof1PropertiesofMetal-DielectricNano■1．31．3．1FiniteElement1．3．2FiniteDifferenceTuneDomain1．4NumericalSimulationofMetal．DielectricSnllctIlre?????????。ofthe2NumericalSimulationMethodofMetal-DielectricNanoS仰 FDTDMthodc2．1．1Curl2．1．2DifferenceStyleofMaxwell’S2．2SettingofExcitationSource????????????????????????．．12．2．ISinusoidalandPulseSource?????????????????????12．2．2PlanewavePoint-62．37of2．3．2Perfect8andNumerical FDTDMethodforIsotropicNonmagneticDispersionof2．5．2FDTDMethodforDispersion2．6Diode???????????????????????????．33 Lightof2．5．2FDTDMethodforDispersion2．6Diode???????????????????????????．33 Light3．1DevelopmentHistory3．2LuminescentMechanism●MechanismLED????????????????????一3．3．3QuantumEfficiency????????????????????一3.4ApproachtoEnhanceLEDLightEmissionEnhancementofExtractionEfficiency???????????????一EnhancementQuantum3．5NumericalSimulationofLED???????????????????????一3．5．1NumericalAnalysis3．5．2LED3．5．3NumericalofMetal—DielectricNanoChapter4Researchon4．1SurfacePlasmonsandSurfacePlasmon●4．2DispersionPropertiesandLorentzModel??????????????????????．??．????．54．3ElectromagneticPropertyofSPPs?????????????????????一4．3．1TEWave WaveIncidentonMetal—DielectricMetal—DielectricDispersionModelinnumericalDrudcDrudcMode4.4.2ModifiedDrudeModelinFDl]DLightEmissionEnhancementbYNanoMetalNano-in Method???????????????。4．5．2NearFieldEnhancementbyMetalDrudcDrudcMode4.4.2ModifiedDrudeModelinFDl]DLightEmissionEnhancementbYNanoMetalNano-in Method???????????????。4．5．2NearFieldEnhancementbyMetalNano-byMetalNano-4．5．4EmissionEnhancementbyDoubleNano●4．65ResearchOilEnhancementofBlueMetal．．Dielectric 5．1SurfacePlasmonPolaritonsofMetalElectromagneticPropertyFihnSPPs???????????。ofMetalFilmSPPs??????????????。Dispersion5.2FDTDSimulationforMetalFihnofSimulationModeling????????????????????????。5．2．3SettingofSimulationEnvironmentand5．2．4ResultProcessing5．3SimulationInfluenceofMetalFilmonLightEmissionofLED????????。oftwoSimulationEmissionofInfluenceofdInfluenceoftonLightEmissionInfluenceofsonLightEmissionof5．3．6of6ConclusionandContributions???????????????????????一 Appendix：TwoPublishedPapersinEnglish．??．???．?．?．??．??．．??．．?．??．．1●●二極管的效率提供理論指導光二極管的計算機數(shù)值仿真率的途徑和相關的理論依據(jù)●二極管的效率提供理論指導光二極管的計算機數(shù)值仿真率的途徑和相關的理論依據(jù)● Ⅱ．根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光原理和特性分析了各種提高發(fā)光效率的途徑，針● Ⅱ．根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光原理和特性分析了各種提高發(fā)光效率的途徑，針對提高內量子效率，通過對Pel效應和金屬表面等離激元電磁場特性率建立了理論依據(jù)II分證實了金屬納米顆粒的表面等離激元不僅可以通過域場應用Pel效Ⅳ．在無限厚度金屬表面等離激元色散特性的基礎上，對有限厚度金屬薄膜Ⅱ本論文選題來源于國本論文選題來源于國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目：金屬價質納米異質論依據(jù)和創(chuàng)新的可能■極管，內量子效率Nanoslmctureshave witllelectromagneticoptoelectroniconmetal—dielectricinterfaceinsemiconductorlikephysicalproperties，inrelatedcoupling●effect meRu5physicalandforpotentialapplications．ThisnotintomodulateandincreaseaNanoslmctureshave witllelectromagneticoptoelectroniconmetal—dielectricinterfaceinsemiconductorlikephysicalproperties，inrelatedcoupling●effect meRu5physicalandforpotentialapplications．Thisnotintomodulateandincreaseaenergyonmetal-dielectrics缸uctIlI-esphysicalinvestigatessuchtransmissionandconversionwithinmetal—simulationandbyaunderstandingonmetal—dielectricmOpropagation，localizationandcontributestoofthroughlocalcouplingEspecially,thisdissertationopensnewpathstofabricatehighstudieshowtoincreasethelightemissionofLED謝mthisconversion,nearfieldlocalization，farfield electic—extraordinarylawSPPsadjustedAroundtheabovelighttopics，forthecomputersimulationandstudiesontherelatedcharacteristicsonmetal．dielectricstructuresGaNsimulationofmetal-dielectricnanostructuresusingFDTDmethodandmetaldispersion2)ExplorationofapproachestoincreasetheefficiencyofLEDsbymechanismelectro-opticalconversionprocessesinthelightfromcharacteristicsof■tIlickmetal—dielectricnanostructuresinsidecomputersimulationandstudiesontherelatedcharacteristicsonmetal．dielectricstructuresGaNsimulationofmetal-dielectricnanostructuresusingFDTDmethodandmetaldispersion2)ExplorationofapproachestoincreasetheefficiencyofLEDsbymechanismelectro-opticalconversionprocessesinthelightfromcharacteristicsof■tIlickmetal—dielectricnanostructuresinsideoftheenhancementofdipolemetal— theeffectsmetalnanoparticles，andthevalidityofthenumericalmethodsinthestudyofdipolesilverfillinGaNbasedLEDtoofphysicalsu婦localcouplingeffectonmetallicthinfillofenhancementfactoronmaterialandstructuralandtheofaftercombinationofaswellasbasedonthefactofbettereffectwithsilverthinfilminGaNLEDsthanwithmetallicTheofthisdissertationisthestructurestometal—lenhancementclosecombination謝 energyandmetal-dielectricdevelopments，bystructureseffectinLEDsthemechanismfieldlaw increasetheinternalquantumguidelinesforexperimentsandLEDs，andservesasVtotheaboveintonarlOs咖cturesinI．The3DFDTDsimulationofwithmodifledmodel．AnumericalsimulationbasedLEDscontainingmetalnanothinfilm，andthevalidityofthemethodistoandcharacteristics toordertolightingtotheaboveintonarlOs咖cturesinI．The3DFDTDsimulationofwithmodifledmodel．AnumericalsimulationbasedLEDscontainingmetalnanothinfilm，andthevalidityofthemethodistoandcharacteristics toordertolightingefficiencyare■quantumeffectandthecharacteristicsoffieldofmetaltheoreticalisestablishedtheofmetal dipolelightIII．Withemissionofisatosimulationbetweentheenhancementfactorandtheandmetalnanoparticlesisconcluded．ItiswellestablishedthatthelocalizedonmetalCanenhancetheemissionofelectricdipolebyPurcell’SIV．Basedonrelationoffrom thickfilmssandwicheddifferentdielectricsofthe韶andmodified．MetallicfilmisintroducedintoCaNandthetheoreticalderivationofcharacteristicsofemissiononresults．11地 ofmetallicfilmandLEDismaterialandAfteroptimization,17foldenhancementoflightemissionisobtainedinTheworkinthisdissertationbyNationalChina．ThroughnumericalsimulationresearchonlocalcouplingeffectinLEDsworkmetal- theinteractionsbetweenvisiblelightandmetals．ItalsounderstandingⅥLEDswith high emissionofLEDswithLEDswith high emissionofLEDswithmetal．dielectricnanoMetal—SurfacePlasmonDifferenceThree．Dimensionalkl_『——出M％總％乙zf|s‘島●％％盯電導_『——出M％總％乙zf|s‘島●％％盯電導％r7％％氣s●，dr7％％氣s●，d●●■我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要保證光源代替能源利■我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要保證光源代替能源利用效率低下的傳統(tǒng)光源成為了光電子領域中研究人員奮斗標替?zhèn)鹘y(tǒng)光源照明可以節(jié)省大量能源并改善人類生活，更是極具研究價值【4，5】．介質結構等【11．14】。利用表面粗化和光子晶體技術提高LED的發(fā)光效率經(jīng)過●●探測、傳感、波導等領域8．22]殊性質，如空間局．介質結構等【11．14】。利用表面粗化和光子晶體技術提高LED的發(fā)光效率經(jīng)過●●探測、傳感、波導等領域8．22]殊性質，如空間局域性[23】、表面拉曼增強[24】、異常光傳輸[25】等現(xiàn)象，使其2■PropagationMethod，BP№【28]，有效折射率法Method，EIM)【■PropagationMethod，BP№【28]，有效折射率法Method，EIM)【(Finite- (Finite．DifferenceTime．Domain，F(xiàn)DTD)[33，34]。以及近年出現(xiàn)的新算法，如Matrix，TLM)和離散偶極子近似[36】計等領域的數(shù)值仿真計算中●光束傳播法(BeamPropagationMethod，BPM)計等領域的數(shù)值仿真計算中●光束傳播法(BeamPropagationMethod，BPM)Fourier'(Wide- 41TuneDomain，F(xiàn)DTD)[45，46]。1975年1981G◆多的數(shù)值模擬方法之一1TuneDomain，F(xiàn)DTD)[45，46]。1975年1981G◆多的數(shù)值模擬方法之一解出空間電磁場隨時間變化的分布情況[481個物理過程，便于理解和分析5●隨著金屬光學和納米制作工藝的飛速發(fā)展，金屬一介質納米結構在生物醫(yī)學●●●隨著金屬光學和納米制作工藝的飛速發(fā)展，金屬一介質納米結構在生物醫(yī)學●●型、Lorentz模型、Drude模型和Lorentz-Drude模型【54，556向●向●法進行了簡要論述78簟非均勻介質物體的電磁場傳播、散射和輻射等問題156，57]Vx矗：簟非均勻介質物體的電磁場傳播、散射和輻射等問題156，57]Vx矗：翌+辦(2-1-西對于各向同性線性介質和導電介質有(2—1—將公式(2—1-2)代入公式(2．1．1)中，在直角坐標系中展開可以得到麥克斯韋方程9堡：三f堡一堡=(2—1—迥堡●一堡=(2—1-暉皿一●一堡：三f孕一冬一仃堡：三f堡一堡=(2—1—迥堡●一堡=(2—1-暉皿一●一堡：三f孕一冬一仃巨鈀魯=吾(警一警一仃B)(2-1-魯=文警一百aHx噸街 J2．1．2麥克●對麥克斯韋方程組(2．1．3)式進行離散，對電場雷和磁場雷的分量在空間上●圖2．1Yee氏元芋 O一．J一1—2七一l一2)一L^一霹(f’，+l，七+芋 O一．J一1—2七一l一2)一L^一霹(f’，+l，七+互1)一霹(f，彰弓o+互1_七+爭=夠11--；(“j1_七+爭+等燮．√一～0O一“]l+七×寺蓄≥，一卜+笪∥∞一1—2一t．一一●一2●一．y．r一H垤一IE+10+砂1護篡霹(f+弘1卅西2A石竺蘭!二圭：蘭二三：!!三E+10+砂1護篡霹(f+弘1卅西2A石竺蘭!二圭：蘭二三：!!三竺蘭!：三：蘭二圭：!!一。2．。礦(“+秒1=糍粥，+秒1+互面壘墜迕蘭!二壁竺墨㈨E+1Ⅲm爭籌礎_七+尹1+互忑●·(2．1-4)式中△x、每和△z為空間步長，△f為時間步長。盯、g為計算結點處的●個周期才能達到穩(wěn)態(tài)地，=exp(嘩l●個周期才能達到穩(wěn)態(tài)地，=exp(嘩l壹量拿愛I∞曙善墨vOOf圖2．2(a)時域波形，(b)頻域波形嘲I∽=三唧卜^一竿●∞4∞4嘲I∽=三唧卜^一竿●∞4∞4制高斯脈沖的中心頻率；第二項為高斯函數(shù)形式。對(2．2—4)式作傅里葉變換可名三愛名暑甚愛●圖2．3(a)時域波形，(b)頻域波形解決電磁波傳播問題的基礎區(qū)域劃分為總場‰?yún)^(qū)域和散射場‰?yún)^(qū)域，如圖2．4所示解決電磁波傳播問題的基礎區(qū)域劃分為總場‰?yún)^(qū)域和散射場‰?yún)^(qū)域，如圖2．4所示■吸圖2．4場和散射場疊加：瓦=％+乙，散射場區(qū)域內只有散射場無入射場。散射場J=上：Ez(i=t，?，‘；J=工∥㈣p2o·9七+一礦zo，J，D：掣z(LJ，七)+熹霹眥(矗pq=U=iLJ=?I／M+l(“問一老H剛山樂大字博士字1彤川：(f，，，七)：彤+一，：o，j『，山樂大字博士字1彤川：(f，，，七)：彤+一，：o，j『，七)一蘭霹婦(五)(2-2-∥G胸=髟+l(Ⅲ)一老曜(力(2-2-i=L一1／2：qO=t—l／2；j=j_，?，五；七=t+1／2，?，k+-·H；+l／2(講)=礦Ⅲ)一面At‰(H；+I／2姒櫨∥飛川+去％∽(2-2-1P=ql。用電流表示，=由／出，其中留=P伊，所以，=j(oq。則●刀自由空間中電偶極子的輻射場為雨糾?鈄M卅2cosO+弓陪(冊證p卜耵糾=一簪"等料]2cosg+Ea卜孚爿H㈣配功=譬吲己烈珊一毛融c荊2]sm01淵V研啦一參阿彬(2-2-配功=譬吲己烈珊一毛融c荊2]sm01淵V研啦一參阿彬(2-2-叫■脅咖c∽唧f_蘭掣(等+等+曇一吉等]廠L=∞(2-波成分為零需要在截斷邊界處設置做弦專：l瓦a，以(等+等+曇一吉等]廠L=∞(2-波成分為零需要在截斷邊界處設置做弦專：l瓦a，以一：l萬O，成j：l瓦O的算子替換，可將上式從頻域過渡到}睜兒=(2—3-]●砂譬+巳占(2-3-y魂警+‰‰=弓塢警+吒疋=七警(2-3-等+吒&：丟(2—警+‰‰=弓塢警+吒疋=七警(2-3-等+吒&：丟(2—■等+吒＆：丟警+％％：{鳥(2-3l 介質損耗參數(shù)仃可采用如下形式口3或4。若盯=吒=0則上式退化為(2一l-3)式的通常麥克斯韋方程昆砂敘0o&_缸o0卻00盟s聲3或4。若盯=吒=0則上式退化為(2一l-3)式的通常麥克斯韋方程昆砂敘0o&_缸o0卻00盟s聲昆0O砂瑟毆敘00=一1鋤西00上式中占，∥為計算空間的介質參數(shù)；邑，S，已為UPML層的各向異性介質的參數(shù)皿=占毒巨將頻域算子轉換為時域算子可得缸o敘砂彪勿=一曇[}享耋][差]一去[}享耋][差 Q一3-·彪蘇aEP娩蘇勿吒出：(力=q，∥聲)彪勿=一曇[}享耋][差]一去[}享耋][差 Q一3-·彪蘇aEP娩蘇勿吒出：(力=q，∥聲)一嚕●2忑蒜分格式，進一步降低計算復雜度生滯后反射，為避免這種反射，可修正上式稱為復頻域變換frequency-shifted，CFS)參數(shù)，通過加入吒減少頻段的滯后反射。利用遞歸卷積(recursive．convolution)技術可以實現(xiàn)將CFS參結合到UPML中，稱為CPML(convolutionPML，CPML)。CPML的FDTD一2．4△f≤]彳—彳1K、／麗+研+一2．4△f≤]彳—彳1K、／麗+研+其中vc為光在介質中的速度，如采用缸=Ay=az=Ad均勻方網(wǎng)格，需滿足●△f≤—Aid(2-4．2)屹盡可能減少數(shù)值色散對精度的影響[56，571。時空間步長應滿足算精度，離散步長應盡可能的小2．5．1介質色散的經(jīng)典理■算精度，離散步長應盡可能的小2．5．1介質色散的經(jīng)典理■用可以視為電子的強迫振動[61．641，如圖2．5所示川t衛(wèi)，2圖2．5彈性系數(shù)，g是阻尼系數(shù)，E是入射光場為時諧場。令廠=g／朋+彈性系數(shù)，g是阻尼系數(shù)，E是入射光場為時諧場。令廠=g／朋+面一臌：一eE=(2-5-解E式得●1Pi(《一國2)一f(2—5-(2-5—●糾岈¨壺小等率的增加而下降的過程為反常色散色率的增加而下降的過程為反常色散色散介質的‘(仞)通過逆傅里葉變換，遞歸卷積方法，移位算子等西(，)=毛豆(f)+島f豆(f—f)zp)dr(2-6—D(f)≈D(刀at)=zoE”+SofluE(nAt—r)z(f)dr(2-6—西(，)=毛豆(f)+島f豆(f—f)zp)dr(2-6—D(f)≈D(刀at)=zoE”+SofluE(nAt—r)z(f)dr(2-6—ez)atz(f)出∥(，)=島F+‰丕n-(2-第時1步的場值為色散介質中的電磁波滿足式(2-1-1)的麥克斯韋旋度方程，取空間步缸、緲、時間步取△f，在時間和空間離散后得型盟坐盟型墮坐t--—．-．．．．．．．．．．．．．．．．止+嬰些!』±!!蘭：墨±!絲二絲：3墨』±!!圣墨二!噦+’o，j+l／2，七)一qo，j+l／2，壚氣[g”(i,j+l／2，k)-“m+2At令』：I)th／烈．f，f，J，k)dr=z“(f，J，七)則上式可簡化為-，f，j,k)dr—一一～胞i,j，k)dfq+’(f，j+l／2，七)一彤(f，j+l／2，七)=b+島‰(j，_，，七)]髟卅(f，j+l／2，七(2—6—E(f，歹+l／2，k)[AZ”o，_，，七其中心”(f，J，七)=Z”O(jiān)，J，七)一Z冊+1(f，J，七)。將(2—6—8)式代入q+’(f，j+l／2，七)一彤(f，j+l／2，七)=b+島‰(j，_，，七)]髟卅(f，j+l／2，七(2—6—E(f，歹+l／2，k)[AZ”o，_，，七其中心”(f，J，七)=Z”O(jiān)，J，七)一Z冊+1(f，J，七)。將(2—6—8)式代入至lJ(2—6—6)式可得到(2-6-+赤三n-I礦(‘j『+l／2,k齜l島(2—6—月≯“2(i+1／2，j+l／2，七)=月，“2(i+1／2,j+l／2z(國)2南(2-6-其中絲：％，有I名(f)=一聲exp[(川+朋(2—6-名”(f)2否-一上式具有指數(shù)遞歸特性名”=exp[(-tt+jfl)At]啟(2—6—所以可以寫出遞歸卷積項礦的迭代方程名”(f)2否-一上式具有指數(shù)遞歸特性名”=exp[(-tt+jfl)At]啟(2—6—所以可以寫出遞歸卷積項礦的迭代方程為礦”=戰(zhàn)。E“+cxp[(-a+jp)At]痧(2—6一稗●E=巳kcos(a)t+九)+巳‰cos(o)t+紅)+巳％cos(cot(2-7—上式中&，J力。、qx,y,z)m畋塒。班畋Ⅵ，：妒分別為電場和磁場場分量的幅值和相蕓盎蘇捌==一?丁引一k日二cos(研+‰)cos(研+y妥Ey=E∥懈諍，Ez=E∥嘩吐蕓盎蘇捌==一?丁引一k日二cos(研+‰)cos(研+y妥Ey=E∥懈諍，Ez=E∥嘩吐，HP=H∥憚竭k=寺Re(Bz一置其中彰和Z分別是q和皿的共軛值。同樣的方法可以寫出(2—7-■％=寺Re(疋t—‰=寺Re(巨E一髟所以平均功率流密度可以寫為(2-7--蠢=瓦‰+弓‰+乏％=IRe[雷×廳‘](2-7—解i=iD平面輻射功率時采用了對f=乇-1／2平面和扣毛+1／2平面取的辦法。x，Y，Z方向的截面輻射功率可以通過(2—5-25)式求得筮一塑差盥惹：R^毛矗二2 ● 七一．^＼-：Re圭^毛矗二2 ● 七一．^＼-：Re圭1q¨乙七¨ ¨P；=Ils血(2—7-^j=‘戶●和內存的壓力加速仿真過程●t洛謝夫(OlegVladimirovichLosev)f1]lJ作出了第一塊t洛謝夫(OlegVladimirovichLosev)f1]lJ作出了第一塊LED。這個成果曾經(jīng)在俄國和加里·皮特曼(GaryPittman)率先生產(chǎn)出了用于商業(yè)用途的紅外LED當中。1962年，美國通用電氣公u--](GE)研究人員尼克·何倫亞克(NickHolonyak學生喬治·克勞福德Craford)發(fā)明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先之父"，獲得●工(NichiaCorporation)的中村修--(ShujiNakamura)終于發(fā)明了之父"，獲得●工(NichiaCorporation)的中村修--(ShujiNakamura)終于發(fā)明了合，電子會從高能級躍遷到低能級，同時以光子的模式釋放出能量【683．2．1半導體基礎知：．墅!三：：三：：三!!=至至：．：羔。：：三二羔：：!耋：；：茁：三：：：=二；。墨：三羔；一：．墅!三：：三：：三!!=至至：．：羔。：：三二羔：：!耋：；：茁：三：：：=二；。墨：三羔；一●(a)導體：(b)半導體；(c)絕緣體力的物理原因，如圖3．1所上沒有電子且禁帶非常寬的固體基本上沒有導電能力稱為絕緣體，如圖3．1(c)或價帶中缺了少數(shù)電子，并且禁帶變窄，從而導致有了一定導電性就稱為半導體E--‰ENP●(a)N型半導體；(b)P型半導E--‰ENP●(a)N型半導體；(b)P型半導●■—／。NE量P圖3．3熱平衡狀態(tài)下的P．N(a)熱平衡狀態(tài)下P-N結中的電子和空穴；(b)熱平衡狀態(tài)下P-N一‰■—／。NE量P圖3．3熱平衡狀態(tài)下的P．N(a)熱平衡狀態(tài)下P-N結中的電子和空穴；(b)熱平衡狀態(tài)下P-N一‰PN—廠)ooOOOOOoO‰圖3．4P-N●●扯老2號2la)(3-2-·波圖3．5可見光LED光表3．1LED砷化鎵鋁砷化鎵磷化鎵摻雜氮(GaP銦氮化鎵，氮化磷化鎵表3．1LED砷化鎵鋁砷化鎵磷化鎵摻雜氮(GaP銦氮化鎵，氮化磷化鎵藍光LED+黃色熒光紅紅610nm-藏橙590nm-50811{z-52俐■黃570nm-豳綠500nm-60011{z藍450nm-白V--l銦氮化鎵紫400nm-666nIz一碳鋁鎵氮化物氮化鋁鎵銦紫功率的比，可以用外量子效率弦與電壓效率仉表示‰22(3-3-外量子效率％是逃逸到空氣中的光子數(shù)與電子空穴復合數(shù)2．1 7／=‰22(3-3-外量子效率％是逃逸到空氣中的光子數(shù)與電子空穴復合數(shù)2．1 7／=??2百r(3-3-到空的光和復生-定義逃逸到空氣中的光子數(shù)與電子空穴復合產(chǎn)生的光子數(shù)之比為％，電子空仇：仇2三qV(3-3-‰=等(3-3-●由(3-3—6c)式可知光提取效率％即逃逸到空氣中的光子數(shù)與電由(3-3—6c)式可知光提取效率％即逃逸到空氣中的光子數(shù)與電子空穴復產(chǎn)生的光子數(shù)之比可由材料吸收產(chǎn)生的損失仉、菲涅爾損失，7廳和全反射損失4斯涅耳定律：％siIl幺=n：sinO：，可寫出全反射臨界角為只有小于臨界角包的光才可以傳輸?shù)娇諝庵?，所以只有在頂角?億的圓錐體射角引起的損失稱為全2(3-10i子的效率的提高子的效率的提高中電磁場強度分布，利用Purcell效應提高LED的內量子效率[18，20，22，74]●圖3．6提高LED光提取效率的各種結(a)光子晶體LED；(b)表面粗化LED；(c)反射鏡LED：(d)圖形化襯底LED陷模態(tài)的密度改圖3．6提高LED光提取效率的各種結(a)光子晶體LED；(b)表面粗化LED；(c)反射鏡LED：(d)圖形化襯底LED陷模態(tài)的密度改變電子和空穴的復合發(fā)光率控制自發(fā)輻射【74】。Purcell因子可 的輻射躍遷率(3-3-11 ，無結構LED的自發(fā)輻射 殼式(3—根據(jù)三維空間坐標系中六個面上電場為零的邊界條件，可解得波矢量云屯：竺式(3—根據(jù)三維空間坐標系中六個面上電場為零的邊界條件，可解得波矢量云屯：竺，七，：竺，屯：堅(3-帶入波動方程中肚彩2膽=(等)2+(等]2+(等一個模態(tài)的最小體積=(3-317!巧3l(3-3-13萬礦存在與圓球的一個象限中所以乘以(丟)。對(3-3-18)式求導可得在破的范圍其中七：竺刀，代入可得在砌范圍內模態(tài)數(shù)為職，)_式中／,／為LED的折射率，礦為半導體體積●的電子和空穴的發(fā)光復合率ro-丟=和防秈妒辭職，)_式中／,／為LED的折射率，礦為半導體體積●的電子和空穴的發(fā)光復合率ro-丟=和防秈妒辭孱)2百n30)2V(3-3-ro2i=警(3-3-rM啪(，)脅=其中口為歸一化參數(shù)礦2幣志而(3-3-26zo、口‘=—7———_2E(，．)12l州=面2麗五A麗a’,觸r=i1=等(孑·t)2阻12面2(3-3-一、J、r=i1=等(孑·t)2阻12面2(3-3-一、J、一 面障而．而叫雨，r一，，■I瓦。j's磊(r)l廣／爵‘：iF：—Aco,—‘：3Q引3．5．2LED3．5．2LED圖3．7LED結構和仿真示(a)LED現(xiàn)實結構：(b)LED仿真結構大于兩倍波長后，仿真結果才相對穩(wěn)定，本文中主要利用2∥肌×2∥冊×2∥冊●3．5．3量子阱的數(shù)值大于兩倍波長后，仿真結果才相對穩(wěn)定，本文中主要利用2∥肌×2∥冊×2∥冊●3．5．3量子阱的數(shù)值圖3．8GaN(a)晶體結構；(b)晶面與晶向示意圖·極化的偶極子源●極化的偶極子源●子阱中的電子空穴復合發(fā)光的制作工藝日趨成熟，使得表面等離激元成為了近年國際上研究的熱點[78一s0]●離激元的電磁特性，其在透射增強[26，85—87]，生物傳感器[ss一90]，超高分辨成像[91，92]，金屬波導[93，94]和發(fā)光增強[95．100]等方面都的制作工藝日趨成熟，使得表面等離激元成為了近年國際上研究的熱點[78一s0]●離激元的電磁特性，其在透射增強[26，85—87]，生物傳感器[ss一90]，超高分辨成像[91，92]，金屬波導[93，94]和發(fā)光增強[95．100]等方面都有廣闊的應用前景4．1·屬表面的自由電子稱作表面等離子體(SurfacePlasmons，SPs)磁表面波稱為表面等離激元Polaritons，SPPs)[101．103]●4．2●先要確定金屬的和介質4．2●先要確定金屬的和介質在電磁場中的材料特性。在光頻段金屬材料是典型的色_量銹—艿口2暑囂一。一々圖4．1Lorentz模1Lorentz模1m兩雨(4-2-其中絲蘭印，氣專1則國‘2氣+碡二再p萬(4-2-‘V)=再籌匆勘(咖(緲)(4-2-q協(xié)鶘協(xié)q’(國)=黝(√(彩)一1)=石詈其介電系數(shù)可以表示為‘?言㈣其中系數(shù)G要滿足條件：∑G=I，％為第g個本證頻率，％為第g個碰▲4．2．2D鄺de模Drude模型是針對金屬的費米自由電子氣近似模型，是針對金▲4．2．2D鄺de模Drude模型是針對金屬的費米自由電子氣近似模型，是針對金屬電子的運動同樣遵循牛頓運動定律d2!E(4-2-，+∥：—-e—m聲：坳：一№：一絲士雷(4-口‘‘=l+z=1+三占oE=l一麗Ne2石麗其中絲三娣所以‘21一而緲(4—2-‘=l+z=1+三占oE=l一麗Ne2石麗其中絲三娣所以‘21一而緲(4—2-●4．3r●4．3．1TE忌：(o，B2，o)g訛z啦z叫)(4-3-母t(4．3—(4．3—代入麥克斯韋方程組中解忌：(o，B2，o)g訛z啦z叫)(4-3-母t(4．3—(4．3—代入麥克斯韋方程組中解得tz髟2=確國皿(4．3-二維情況下波矢量可表示為肚(詈磚+霸=‘．鰳砭+砭％辟：(詈)2(4-3-的入射光不能在金屬．介質表面激發(fā)SPPs=(El0，E1)PH鈿也叫的入射光不能在金屬．介質表面激發(fā)SPPs=(El0，E1)PH鈿也叫與電介質分界面上電磁場需滿足(4—3疋l=疋(4—3—(4—3—(4—3— 上式中乞。和乞：大于零，要滿足色散關系就要求q乞<o，同時根據(jù)表面波對稱有疋。=E：，flJ(4—3—8)式可得毛=-s2，即需要介電系數(shù)大小相等符號相反的兩為正的電介質來激發(fā)表面等離激元波矢量同樣可表示為(4-3—5)式，聯(lián)立(4．3．10)式代入方程中，可以得上式中乞。和乞：大于零，要滿足色散關系就要求q乞<o，同時根據(jù)表面波對稱有疋。=E：，flJ(4—3—8)式可得毛=-s2，即需要介電系數(shù)大小相等符號相反的兩為正的電介質來激發(fā)表面等離激元波矢量同樣可表示為(4-3—5)式，聯(lián)立(4．3．10)式代入方程中，可以得到平屯2詈愚裂(4-3-金屬的表面等離激元的波矢量●國(4—3-1乞l2C國2C乞(4—3—1％=屯一C．＼『／互Cl-I-E2(4-3-復數(shù)：k=巧+f¨。將乞帶入到％中可以得k驢(4—3—∞％2她一C2((q叫)2+乞將實部與虛部分離出來國(4—3—¨刪研蔫2w習(4-3-圖4．3利用金屬Drude模型¨刪研蔫2w習(4-3-圖4．3利用金屬Drude模型可以寫出金屬的復介電系在高頻極限下金屬介電系數(shù)可寫為：島(國)=l一譬，代入(4．3．8)式得緲2C國乞l2C(4—3-1國(4—3—乞22C分析上式可以發(fā)現(xiàn)，在保證％為實數(shù)的前提下，當國<哆／√再百時乞。和乞：可以明確的表示出來散，Drude模型較Lorentz模型精度更高。而且Drude模型可以明確的表示出來散，Drude模型較Lorentz模型精度更高。而且Drude模型是基于費米金屬自R4kkRnn(矽■23l表4．2(RkkRnn43R4kkRnn(矽■23l表4．2(RkkRnn432l圖4．4金屬材料Drude模型擬合曲(a)金的復介圖4．4金屬材料Drude模型擬合曲(a)金的復介電系數(shù)曲線；(b)銀的復介電系數(shù)曲線合很好，在遠紅外波段誤差較大，如圖4．4(b)所示刪一國z一doy2去--。0+／my通過逆傅里葉變換得到時域極化率(44-7對上式在時間上進行離散，時問步取△f?？梢缘玫統(tǒng)上式具有指數(shù)遞歸特性(4-4—程4．5y上式具有指數(shù)遞歸特性(4-4—程4．5·●射躍遷率增強發(fā)光輻射，：j一：??！籣r．_y．．”二，：j一：??！籣r．_y．．”二●(a)單／雙金納米橢球；(b)單／雙銀納米橢球 廠=1．6706x1013月2；銀的修正Drude參數(shù)：毛=5，國。廠=2．3865x1013Hz的面上的功率流積分和為∑們。i---∑肛。r％2FI◆4．5．2金屬^號暑i---∑肛。r％2FI◆4．5．2金屬^號暑lilill瑟—--曩瑪¨¨¨¨措盈-Q。呈豇圖4．6(a)單金屬納米顆粒x-y截面能量分布圖3I．噼§?t3I．泓-lT佃圖4．7(a)雙金屬納米顆粒x-y截面能量分布圖：(b)雙金屬納米顆粒能量沿Y圖4．6和4．7顯示了單／雙金屬納米顆粒的近場增強效應。從圖中可以看出粒在波長460hm處局域場最強；而雙金納米顆粒的局域場在波長570m時達●移4．5．3金屬的距離對輻射增強的影響mm姍枷2圖4．6和4．7顯示了單／雙金屬納米顆粒的近場增強效應。從圖中可以看出粒在波長460hm處局域場最強；而雙金納米顆粒的局域場在波長570m時達●移4．5．3金屬的距離對輻射增強的影響mm姍枷2瑚拋-暑譬函_I|譬_～m6銣lIl盂枷枷圖4．8長軸L對Purcell因子的影(a)不同長度L的單金屬納米顆?？梢姽夥秶鷥葘腜urcell(b)不同長度L的雙金屬納米顆?？梢姽夥秶鷥葘腜urcell●m枷鯽n枷枷瑚娜拋拋koIu_鈿—寫譬暑■kolu_■昌-譬葺■m枷蚋瑚5-暑oJ函昌釜暑山-o●m枷鯽n枷枷瑚娜拋拋koIu_鈿—寫譬暑■kolu_■昌-譬葺■m枷蚋瑚5-暑oJ函昌釜暑山-olu-兇昌-譬鼻■枷瑚啪枷枷枷o枷枷枷螄WwI代hgth圖4．9短軸R對Purcell因子的影(a)不同半徑R的單金屬納米顆?？梢姽夥秶鷥葘腜urcell(b)不同半徑R的雙金屬納米顆?？梢姽夥秶鷥葘腜urcell●距離不同波長下對Purcell因子的影響，如圖4．10k暑o-函昌o￡暑■-o芑J函昌-譬目■舢螂枷瑚錒姍枷枷拋瑚o蝴啪枷枷瑚啪螄啪枷瑚o●距離不同波長下對Purcell因子的影響，如圖4．10k暑o-函昌o￡暑■-o芑J函昌-譬目■舢螂枷瑚錒姍枷枷拋瑚o蝴啪枷枷瑚啪螄啪枷瑚ow9?。圖4．10距離R對Purcell因子的影(a)不同單金屬顆粒與偶極子間距離d在可見光范圍內對應的Purcell(b)不同雙金屬顆粒與偶極子間距離d在可見光范圍內對應的Purcell子不同波長下對Purcell因子的影響，如圖4．11所枷啪姍姍I枷枷瑚m瑚枷-暑ok暑oJ啊暑-譬昌^mm枷枷k30I函昌-2葺^-olu—函昌-譬葺■mm子不同波長下對Purcell因子的影響，如圖4．11所枷啪姍姍I枷枷瑚m瑚枷-暑ok暑oJ啊暑-譬昌^mm枷枷k30I函昌-2葺^-olu—函昌-譬葺■mmm姍枷咖螂(b)w吖。kngt“(蚰圖4．11環(huán)境材料對Purcell因子的影可以看到，隨著環(huán)境材料折射率的增加，金屬納米顆粒的共振波長發(fā)生紅移4．5．4雙金●4．5．4雙金●(a)雙金納米橢球殼，(b)雙銀納米橢球I．金屬納米橢球殼的近，刻薊疆霪磊b一。蹴矗。。施蘊藏。妊；懣．譬未≯l～—黝瘤致二施～。渤溉鋤懣．，I、魯●點船¨B，刻薊疆霪磊b一。蹴矗。。施蘊藏。妊；懣．譬未≯l～—黝瘤致二施～。渤溉鋤懣．，I、魯●點船¨B：ii·塒 -1000·5帥7圖4．13度姍帥橢Ⅲ啪-暑uJ^拋_啪●-暑u昌霉鼻■m棚Whd∞g山(IWlvekngtbt-圖4．14雙金屬納米橢球殼的填充材料對1因子的影圖4．14所示。圖中刀’=0代表無填充材料的金屬納米橢球●述HI．球殼厚度對輻射增強的影響圖4．14所示。圖中刀’=0代表無填充材料的金屬納米橢球●述HI．球殼厚度對輻射增強的影響k暑J-葛-■-o苗J墨譬薯■珊姍姍姍姍舢舢啪枷枷m撕秈枷鯽枷拋啪咖瑚枷拋o5 7帥 圖4．15金屬厚度對Purcell●金屬薄膜對LED發(fā)光●金屬薄膜對LED發(fā)光的影響[18，138．140]一一5．1．1金屬●(5-1-(乞(5-1-(乞b+毛t：)(毛屯：+乞乞，)+(乞屯。一與屯：X毛乞：一毛乞，)一2哦一％tan降)-o(5-l-鉑+％伽降)=。(5-即兩側為同種介質時，金屬．介質分界面會產(chǎn)生兩種模式的SPPs，如圖5．2所晚1ec公A公公公Q公●圖5．2有限厚度SPPs的混合模晚1ec公A公公公Q公●圖5．2有限厚度SPPs的混合模5．1．2金屬薄膜表面等離激元的色散特●卜卜P-■圖5．4GaN基藍光LED結構示意(a)正裝LED；(b)P-■圖5．4GaN基藍光LED結構示意(a)正裝LED；(b)倒裝LED圖5．5GaN基藍光金屬薄膜LED(a)正裝金屬薄膜LED：(b)倒裝金屬薄膜LED．1酏：藏j■：j、：E、．磊：：-??。7：，?：。i1飛}薯w爿=：～+i嚼：i囂■：!_：一j?．1酏：藏j■：j、：E、．磊：：-??。7：，?：。i1飛}薯w爿=：～+i嚼：i囂■：!_：一j?量子阱附近的態(tài)密度，(3．3．31)式表●的發(fā)光特性進行仿真研究iIl圖5．6倒裝GaN基金屬薄膜LED的仿真結構示意(a)仿真結構的三維視圖；(b)Y-Z5．2．3仿真參數(shù)和環(huán)境設5．2．3仿真參數(shù)和環(huán)境設●(5·2-使用非均勻網(wǎng)格。在金屬內網(wǎng)格大小為lm，電介質中根據(jù)材料的介電系數(shù)劃我們以無金屬薄膜的LED在A-B面的能量積分％‘柚)為基準，引入金屬膜的LED在A—B面處的能量積分‰‘¨)與其的比值計算金屬薄膜LED的魚‰坐●●／／／7／，／／，一。廠魚‰坐●●／／／7／，／／，一。廠x圖5．7金屬材料在LED(a)金；(b)(2．262ev)，在綠光波長范圍內【152】；而銀的SPPs共振波長為氣●々號5(2．262ev)，在綠光波長范圍內【152】；而銀的SPPs共振波長為氣●々號5置石3葺¨瑚鯽圖5．8金屬薄膜對LED鍍金屬薄膜的LED(2)N型GaN厚度為100nmm，金屬薄膜厚度為70nm0GaN厚度為120nm，金屬薄膜厚度為70眥，金屬薄膜與量子阱間N型0效果◆5．3．2兩種¨¨¨¨效果◆5．3．2兩種¨¨¨¨^．n’)參公g葛Hh=∞曩∞苫H¨P。0一l-oz¨pB篁Hgoz鋤Vavelen|th(一gavelen|th圖5．9兩種銀膜LED結構下銀膜厚度對LED發(fā)光的影(a)結構a銀膜LED輻射功率隨t(b)波長460rm時結構a和結構b兩種銀膜LED的電場分布隨t●—曼-M．暑-2u矗苗。目=皇一嗣目阻瑚．1lt圖5．10銀膜與量子阱間的距離對銀膜LED—曼-M．暑-2u矗苗。目=皇一嗣目阻瑚．1lt圖5．10銀膜與量子阱間的距離對銀膜LED(a)發(fā)光增強因子F隨銀膜與量子阱間距離d(b)銀膜與量子阱間距離d變化對銀膜LED其中‰是GaN的介電系數(shù)，吃為波長為460rim時銀的介電系數(shù)的實部明顯增強。且隨著厚度的增加越來越多的后向輻射光(±90。一_+180。)被反射回前k^；u霄_一仁k^；u霄_一仁p—Iloo蠹二c■●Thicknessof隰繅；鄄隰黧；斛劁碧蓬圈{山東大學博士學1到反射鏡的作山東大學博士學1到反射鏡的作用●增強因子曲線影響不大廠廠燦lLD7‘’’～，?”加堪插¨佗m。．N86．I宴Q基p皇DI_葛Do量。盤■4}V2●廠廠燦lLD7‘’’～，?”加堪插¨佗m。．N86．I宴Q基p皇DI_葛Do量。盤■4}V2●融；瑚晦‰鋤黝蹴鋤。渤疬么編繳黝鋤OOThicknessofn--櫥筵固基賊鹱蒲饕總蕊蓊互薹噩，j點蓬蘸蒸圖5．12N型GaN厚度對銀膜LED發(fā)光輻射的影(a)增強因子，隨N型GaN厚度S的變化曲線：(b)銀膜LED中的光程差(c)波長460hm時銀膜LED的電磁場(巨、弓、以、q)分布隨S的變化減弱，增強因子變小。三個波長的F曲線周期也明顯不同，分別為：‰。=92nm減弱，增強因子變小。三個波長的F曲線周期也明顯不同，分別為：‰。=92nm‰。=80nm、正∞。=lOOnm。周期與波長成正比關系，短波長對應的F曲線■和反射光在出光面產(chǎn)生的光程差約為2(s+d)rlc．講IcosO、周期約為2cos0／2r／c．v，小。即量子阱距離金屬．介質分界面越近，SPPs對量對內量子效率的提高沒有貢獻。金屬薄膜在電介質中傳播的理論距離，可以通過J『：彩估算出，其中矗和藝分別為電介質和金屬材料介電對內量子效率的提高沒有貢獻。金屬薄膜在電介質中傳播的理論距離，可以通過J『：彩估算出，其中矗和藝分別為電介質和金屬材料介電系數(shù)的實部，距離d-q金●獻個臨界厚度即趨膚深度的大小約為·厚度變化的影響相干相長周期約為(5-2—T=>tcose／2鞏肛●■■光增強中起決定性作用-o》寸∞2dtio口一。囂^譬．瑚-o》寸∞2dtio口一。囂^譬．瑚5一§20n撕擴學習鋤h搬，a=-——。‘‰?。妊抽。。札瓣，嘞≈?！雦k如、拓i銑o■，i，二!?。j．i：。i鵜礎。0j￡。!，，I。：，翰幽概量^厶幽女。i1‘l’’’r’l即’’!’：二^‰‰!圖5．13優(yōu)化結構參數(shù)下的銀膜(a)增強因子和銀膜吸收系數(shù)隨波長變化的曲■增強■增強●論文主要貢獻如下證明了仿真方法的正確性·●論文主要貢獻如下證明了仿真方法的正確性·射增強因子的規(guī)律●都需要進行大量的工作●都需要進行大量的工作●●●●Schubert【1GB．Stringfellow,M．George【2BrightnessLight嗍toSolid-【3Lighting【M】．Wiley-andFuture【4MR,ShchekinOB，Mueller-Machet●High-PowerLight-DiodesforSolid-Lighting叨．JDispM，Shibata[5H，eta1．Developmentofhiighdiodesandmultiquantum- of,2002，8(2)：271-【6】J．R．Coaton刪．LampsLighting叨．1【7】JK．Solid-statelightsourcesgettingsmart叨Schubert【1GB．Stringfellow,M．George【2BrightnessLight嗍toSolid-【3Lighting【M】．Wiley-andFuture【4MR,ShchekinOB，Mueller-Machet●High-PowerLight-DiodesforSolid-Lighting叨．JDispM，Shibata[5H，eta1．Developmentofhiighdiodesandmultiquantum- of,2002，8(2)：271-【6】J．R．Coaton刪．LampsLighting叨．1【7】JK．Solid-statelightsourcesgettingsmart叨T，GaoYa1．Increaseinthe【8GaN-diodesviaLeaers，2004，84(6)：855—ofInGaN- anano—roughenedp-GaNsurface【Jlight-PhotonicsTechnologyLetters，IEEE，2005，17(5)：983—【10】 P·typelight-onZnO明．Nature【11】WiererMM．III—photonic·crystallight-diodes晰llighextractionefficiency叨．NaturePhotonics，2009，3：163—【12】K，LindercrystalLEDs—extraction川．Laser&PhotonRex,,2009，3(3)：262—a1．DirectionalemissioncontrolKA，Matioliphotoniccrystallightemittingdiodes[JlightextractioninPhysLett，2008，93：103502-ofRyuS—W．DesignStructureExtractionofJImprovedQuantumElectron，2009，15(4)：1257—【15】light-Journal[16】GontijoI，BoroditskyM，Yablonovitchtosilverquantum-well【17】Hecker 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WaveguideandCM．ExistenceaphotonicgapiIldielectric【33】XuF，ZhangYHongmodelingguided-eta1．Finite-frequency-domainalgorithmof on,2003，51(1finite—WHartnagel【34】Beilerdaoff詈!!!皇!曼!皇曼鼉曼詈曼曼皇曼曼!蘭!!!!曼!曼皇!皇frequencyforthree—scatteringproblemsMicrowaveTransactionson，1992，40(3)：540-solutionof【35】isotropicmediaon,1966，14(3)：302—PB．Applicationoftransmission-linematrixmethod『waveguidesofarbitrarycross—section[J】．ProcIEE，1972，119(8)：1086-EM，PennypackerCR．ScatteringandabsorptionoflightbydielectricgrainsfJl．TheAstrophysicalJournal，1973，186：705—『38]HrennikoffA．Solutionofproblemsof the詈!!!皇!曼!皇曼鼉曼詈曼曼皇曼曼!蘭!!!!曼!曼皇!皇frequencyforthree—scatteringproblemsMicrowaveTransactionson，1992，40(3)：540-solutionof【35】isotropicmediaon,1966，14(3)：302—PB．Applicationoftransmission-linematrixmethod『waveguidesofarbitrarycross—section[J】．ProcIEE，1972，119(8)：1086-EM，PennypackerCR．ScatteringandabsorptionoflightbydielectricgrainsfJl．TheAstrophysicalJournal，1973，186：705—『38]HrennikoffA．Solutionofproblemsof 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