金属表面等离子激元增强半导体材料发光特性研究

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近年来,金属局域表面等离子激元共振(LSPR)被证明是提高半导体材料发光效率的有效方法。当半导体中激子/光子的能量与金属局域表面电子振动能相似时,能量将与局域表面等离子激元(LSP)耦合,辐射到自由空间中。本文通过理论模拟对LSPR耦合效应进行研究分析,并利用金属纳米颗粒修饰半导体材料,实现其光致发光(PL)增强,主要研究如下:(1)采用时域有限差分法(FDTD)数值模拟不同金属形状的局域场增强效果。研究证明椭球形纳米颗粒相比于立方体、圆柱体和三角棱柱,Purcell增强因子提高了近3.5倍;此外,模拟椭球形、双球型和双核壳球型纳米颗粒的长轴L、短轴R、环境材料折射率n和光源距离d等变量对增强因子的影响,实现不同程度光场增强及共振波长可调谐。(2)通过理论和实验分别利用Au纳米颗粒LSPR耦合效应,实现GaAs薄膜的近场发光增强。经过理论计算Au纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,研究分析共振耦合频率与Au颗粒尺寸之间的关系。在此基础上,通过调控磁控溅射时间的方式在GaAs薄膜表面制备不同尺寸的Au颗粒,实现近10倍的PL增强。(3)从理论和实验上分别利用金属纳米颗粒LSPR耦合效应,实现ZnO纳米线的近场发光增强。理论构建ZnO微腔光学模型,利用Ag颗粒对微腔六个面进行修饰,实现局域光场增强,并将光场限制效率提高了6.72%。在此基础上,用制备的Au、Ag纳米溶胶对ZnO纳米线的表面进行修饰,分别实现紫外本征复合的发光增强以及可见缺陷发光的抑制。(4)通过水热合成制备铜镓氧(CuGaO2,CGO)纳米片,并成功制备CGO纳米片/ZnO纳米线异质结结构。通过PL测试得到位于392.32nm处的紫外发光,与纯ZnO的PL光谱相比,紫外发光峰出现红移及光谱展宽(近2.5倍)等现象。此外,研究发现p-n结之间内建电场可以产生次带隙吸收效应。这项研究为实现金属纳米颗粒共振耦合增强ZnO基光电器件紫外发光效率提供了一种高性能的p型材料。
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