利用金属—介质纳米结构增强LED发光的FDTD数值模拟研究

论文摘要

纳米结构是现代光电子器件的基本结构之一,半导体器件中金属-介质纳米结构在电磁场的作用下更是具有一系列与表面等离激元相关的电磁场强局域、表面拉曼增强、异常光传输、电偶极耦合等新奇的物理效应,通过计算机数值仿真技术深入研究其中的局域耦合增强效应和相关基础物理问题具有重要的科学意义和应用价值,不但为调控发光二极管的光电过程及提高电光转换效率等问题提供了新方向和新方法,同时还为我国节能减排工程提供了新思路。研究金属-介质纳米结构在电磁场中的场局域效应、能量的传输和耦合效应等基本物理问题,深刻认识和理解电磁场与金属-介质纳米结构相互作用产生的传播、局域和耦合等效应的物理规律,可以为利用金属-介质纳米结构提高发光二极管的效率提供理论指导。特别是通过对金属-介质纳米结构调控发光二极管的电光转换,近场局域,远场辐射和异常光传输的研究,掌握金属-介质纳米结构与半导体量子阱的耦合规律和调控发光二极管增强效应的机制,可以为制备高效率的大功率发光二极管提供新的思路。围绕以上科学问题,本论文紧密围绕金属-介质纳米结构和氮化镓基蓝光发光二极管,以提高发光效率为目的,以计算机模拟仿真和理论分析为手段,研究的主要内容包括：1)通过金属的色散模型结合时域有限差分方法,实现金属-介质纳米结构发光二极管的计算机数值仿真；2)通过研究发光二极管的发光原理和光电转换过程,探索提高LED发光效率的途径和相关的理论依据；3)通过麦克斯韦方程组,推导无限厚度和有限厚度金属-介质纳米结构与电磁场相互作用激发表面等离激元的基本物理性质；4)通过对金属纳米颗粒的电磁场数值仿真,研究金属-介质纳米结构表面等离激元局域耦合效应增强电偶极的发光效率,并验证数值仿真方法的正确性；5)通过对金属薄膜在发光二极管中的理论分析和电磁场数值仿真,研究金属-介质纳米结构表面等离激元局域耦合效应增强发光二极管发光的物理过程及增强因子对金属薄膜发光二极管结构参数和材料参数的依赖；6)根据金属薄膜发光二极管结构参数和材料参数对发光强度影响的规律,并结合理论分析和数值仿真结果,对银膜氮化镓基蓝光发光二极管的结构进行参数优化。本论文主要通过计算机数值仿真,研究金属-介质纳米异质结构中的局域耦合效应及其在提高光电转换器件效率中的作用。并紧密结合国民经济和社会发展过程中与节能减排、环境保护相关的关键技术,通过在发光二极管中构筑具有特殊场耦合效应的金属-介质纳米结构,在深入研究电偶极发光和表面等离激元之间相互作用物理机理及控制规律的基础上,探索提高蓝光二极管内量子效率的新方法,为实验和生产提供思路和方向。根据上述研究内容和目标,本论文的创新工作共分为以下几个部分：Ⅰ.通过金属色散模型实现了金属-介质纳米结构在发光二极管中的三维时域有限差分方法的数值仿真。针对倒装氮化镓基蓝光发光二极管的发光和材料特性,引入纳米金属薄膜建立了数值仿真模型,并验证了方法的正确性。Ⅱ.根据发光二极管的发光原理和特性分析了各种提高发光效率的途径,针对提高内量子效率,通过对Purcell效应和金属表面等离激元电磁场特性的分析,为金属表面等离激元增强电偶极发光提高发光二极管内量子效率建立了理论依据。Ⅲ.利用金属纳米颗粒使电偶极辐射得到了近千倍的增强,根据仿真结果获得了电偶极辐射增强与金属纳米颗粒的材料和结构参数的关系,获得了金属纳米颗粒的半径、长度、环境等因素影响辐射增强的规律,并通过填充电介质的方法获得了更有效控制金属纳米颗粒共振波长的手段,充分证实了金属纳米颗粒的表面等离激元不仅可以通过域场应用Purcell效应引起电偶极辐射增强,而且具有异常光传输特性,为金属-介质纳米颗粒增强LED发光奠定了理论基础。Ⅳ.在无限厚度金属表面等离激元色散特性的基础上,对有限厚度金属薄膜两侧为同种介质和异种介质的情况下表面等离激元色散特性进行了分析和修正。并在氮化镓基蓝光发光二极管中引入金属薄膜,通过仿真结果验证了对无限厚度金属和有限厚度金属薄膜的表面等离激元电磁特性的理论分析和研究,获得了金属薄膜和发光二极管材料参数及结构参数对发光增强影响的规律,并通过优化参数在蓝光波段内得到了很高的自发辐射增强及17倍的发光增强。本论文选题来源于国家重点基础研究发展计划项目：金属/介质纳米异质结构中的局域耦合效应及其在光电转换器件中的应用。通过对金属-介质纳米结构在发光二极管中局域耦合效应的数值仿真研究,加深了可见光与金属相互作用的认识和理解,为研发具有新技术、新工艺、新流程的高亮度蓝光/白光发光二极管提供了思路和方向,为利用金属-介质纳米结构增强发光二极管发光提供了理论依据和创新的可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文中常用符号说明
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 金属-介质纳米结构的光学特性
• 1.3 数值分析方法
• 1.3.1 有限元法
• 1.3.2 光束传播法
• 1.3.3 时域有限差分算法
• 1.4 金属-介质纳米结构的时域有限差分法
• 1.5 课题意义及论文安排
• 第二章 金属-介质纳米结构的数值模拟方法
• 2.1 时域有限差分的基本算法
• 2.1.1 麦克斯韦旋度方程
• 2.1.2 麦克斯韦旋度方程的差分形式
• 2.2 激励源的设置
• 2.2.1 时谐源和脉冲源
• 2.2.2 平面电磁波
• 2.2.3 点源
• 2.3 边界条件的处理
• 2.3.1 Mur吸收边界条件
• 2.3.2 完全匹配层
• 2.4 数值稳定性和数值色散分析
• 2.4.1 数值稳定性
• 2.4.2 数值色散
• 2.5 色散介质的FDTD方法
• 2.5.1 介质色散的经典理论
• 2.5.2 色散介质的FDTD方法
• 2.6 结果后处理方法
• 2.7 本章小结
• 第三章 发光二极管的基本理论
• 3.1 LED发展历史
• 3.2 LED发光原理
• 3.2.1 半导体基础知识
• 3.2.2 LED发光的物理过程
• 3.3 LED的发光效率
• 3.3.1 发光效率的定义
• 3.3.2 光提取效率
• 3.3.3 LED的内量子效率
• 3.4 提高LED发光效率的途径
• 3.4.1 提高光提取效率
• 3.4.2 提高内量子效率
• 3.5 LED的数值仿真
• 3.5.1 数值方法
• 3.5.2 LED结构建模
• 3.5.3 量子阱的数值模拟
• 3.6 本章小结
• 第四章 金属-介质纳米结构光学特性的研究
• 4.1 表面等离子体和表面等离激元
• 4.2 金属材料的色散特性及色散模型
• 4.2.1 Lorentz模型
• 4.2.2 Drude模型
• 4.3 表面等离激元的电磁场性质
• 4.3.1 TE波入射到金属-介质结构
• 4.3.2 TM波入射到金属-介质结构
• 4.4 金属-介质数值仿真中的色散模型
• 4.4.1 修正Drude模型
• 4.4.2 金和银的修正Drude模型拟合
• 4.4.3 修正Drude模型的FDTD方法
• 4.5 金属纳米颗粒在可见光波段下的辐射增强效应
• 4.5.1 金属纳米椭球颗粒的FDTD数值仿真
• 4.5.2 金属纳米椭球颗粒的近场增强
• 4.5.3 金属纳米颗粒的辐射增强效应
• 4.5.4 双金属纳米椭球壳的增强效应
• 4.6 本章小结
• 第五章 金属-介质纳米结构增强蓝光LED发光的研究
• 5.1 金属薄膜表面等离激元
• 5.1.1 金属薄膜表面等离激元的电磁场性质
• 5.1.2 金属薄膜表面等离激元的色散特性
• 5.2 金属薄膜LED的FDTD仿真
• 5.2.1 仿真目标分析
• 5.2.2 仿真结构
• 5.2.3 仿真参数和环境设置
• 5.2.4 结果处理
• 5.3 仿真结果
• 5.3.1 金属薄膜对LED发光的影响
• 5.3.2 两种仿真结构的对比及色散模型的选择
• 5.3.3 银膜与量子阱间距离d对LED发光辐射的影响
• 5.3.4 银膜厚度t对LED发光辐射的影响
• 5.3.5 N型GaN厚度s对LED发光辐射的影响
• 5.3.6 结构参数优化
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文主要结果和贡献
• 6.2 本论文的不足和可继续研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的论文、获得的奖励及参加的项目
• 一、发表的论文
• 二、获得的奖励
• 三、参加的项目
• 附录 英文论文两篇
• 学位论文评阅及答辩情况表