提高LED發(fā)光效率的研究

1、摘 要表面等離子體(Surface plasmons，SPs)是近年來國際上研究的一個熱點SPs具有空間局域性，局域場增強等特點，可以用來增強發(fā)光二極管(Lightemitting diode，LED)的發(fā)光效率。利用表面等離子體場局域性質(zhì)，在共振時SPs有很高的態(tài)密度，這能夠影響發(fā)光中心的輻射速率，提高發(fā)光中心的內(nèi)量子效率；并且可以制作合適的結(jié)構(gòu)，控制光的出射方向，提高發(fā)光二極管的提取效率近年很多研究小組研究了SPs增強發(fā)光效率的物理機理，并得到一些很好的結(jié)果，本文對現(xiàn)階段的研究進展進行綜述關(guān)鍵詞: 發(fā)光二極管 表面等離激元 金屬光柵AbstractSurface plasmons is a

2、 hotspot of research in recent yearsSurface plasmons have some particular characteristics such 0,8 electric field localization and electric field enhancementThese characteristics Can beused to enhance emi船ion of lightemitting diodeBecause of，electric field localization，SPs has large density of state

3、s when excitedThis can influence the radiation rate of exciton and improve the quantum yieldThe direction of radiation and the efficiency of LED can be controled by appropriate configurationMany research groups have investigated the phyrsical mechanism of enhance emission using SPs in recent years a

4、nd get some great resultsThe development of enhanced emission of lightemitting diode using surface plasmons is reviewedKeywords: Lightemittingdiode Surfaceplasmon Metalgrating1 緒論1.1 研究背景光二極管 (Light Emitting Diode，LED)是一種可將電能轉(zhuǎn)換為光能的有源電子器件，屬于電致發(fā)光固態(tài)光源，被認為是最有可能進入普通照明領(lǐng)域的一種綠色照明光源。與傳統(tǒng)的光源相比，具有體積小、壽命長、電壓低、節(jié)能

5、和環(huán)保等優(yōu)點，是下一代照明的理想選擇。各種類型的LED、利用LED 作二次開發(fā)的產(chǎn)品及與LED 配套的產(chǎn)品 如白光LED 驅(qū)動器 發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷上市，已發(fā)展成不少新型產(chǎn)業(yè)。展望將來 ，還期望更進一步地提高LED的發(fā)光效率。自從LED發(fā)明以來，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，技術(shù)上已取得了很大的進步?，F(xiàn)在的LED光強達到燭光級，壽命達到數(shù)萬小時，輻射光的顏色形成了包含白光的多元色彩，制造成本已降低到早期的十分之一，而且這種趨勢還在進一步發(fā)展之中。專家預(yù)計 LED未來將取代白熾燈、 熒光燈而成為新一代照明光源。然而目前仍存在發(fā)光效率不高、成本高等問題。雖然光通量可以通過增加輸入功率來獲得，但同時又面臨

6、器件溫升效應(yīng)的問題。因此通過其它途徑來增加 LED的發(fā)光效率， 成為國內(nèi)外的研究熱點。由于半導(dǎo)體折射率很高，由于全反射等因素，有源層產(chǎn)生的光絕大部分在LED內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能白白損耗掉了，能夠輻射到自由空間的光占很小部分，使傳統(tǒng)LED的出光效率仍然很低，因此提高LED的出光效率在節(jié)能減排的今天具有重要的意義。為了解決這個問題，人們往往采用表面粗化、光子晶體、圖像化襯底、倒裝技術(shù)等方法改善光在LED不同材料界面產(chǎn)生的反射，這些方法對于提高LED的出光率是非常有效的。1.2 表面等離激元的研究現(xiàn)狀金屬中存在自由電子，當(dāng)電磁波入射到金屬表面時，金屬表面兩側(cè)的電場的垂直分量不連續(xù)，自由電子局部會聚集在金屬

7、表面，隨電場的變化而振蕩，當(dāng)電子的振蕩頻率和入射電磁波的頻率一致時就會產(chǎn)生共振，外來的電磁場能量被吸收，這種特殊的電磁模式被稱為表面等離激元。對于平坦的金屬/介質(zhì)表面，局部聚集的自由電子受到平行于金屬表面的電場驅(qū)動，會以疏密波的形式沿著金屬表面?zhèn)鞑?，局域于有限空間的電子會造成局部電磁場強度增強的現(xiàn)象。表面等離激元沿著表面?zhèn)鞑ィ诖怪庇谠摫砻娴姆ㄏ蛏铣手笖?shù)衰減。光波與粗糙金屬表面或金屬納米結(jié)構(gòu)的禍合，則表現(xiàn)為局域化的表面等離激元，它的突出特點之一是巨大的局部場增強效應(yīng)，使得近場外圍內(nèi)的介質(zhì)對外界電磁場的響應(yīng)呈現(xiàn)獨特的線性或非線性效應(yīng)，如在特定的波長范圍內(nèi)出現(xiàn)強烈的光吸收、光散射、發(fā)光和二次及三

8、次諧波發(fā)生等，使能量傳輸和轉(zhuǎn)換效率得到大幅度提高。而當(dāng)改變金屬表面結(jié)構(gòu)時，sPs的性質(zhì)、色散關(guān)系、激發(fā)模式、耦合效應(yīng)等都將產(chǎn)生重大的變化。通過SPs與光場之間的相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對光傳播的主動操控。表面等離子體光子學(xué)已成為一門新興的學(xué)科，它的原理、新穎效應(yīng)以及機制的探究，都極大地吸引研究者們的興趣。 表面等離子的概念表面等離子體（Surface Plasmons，SPs）是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿āＦ洚a(chǎn)生的物理原理如下：如作圖所示，在兩種半無限大、各向同性介質(zhì)構(gòu)成的界面，介質(zhì)的介電常數(shù)是正的實數(shù)，金屬的介電常數(shù)是實部為負的復(fù)數(shù)。根據(jù)max

9、well方程，結(jié)合邊界條件和材料的特性，可以計算得出表面等離子體的場分布和色散特性。 圖1.1 金屬膜與電介質(zhì)表面間的等離子體振蕩一般來說，表面等離子體波的場分布具有以下特性： 1.其場分布在沿著界面方向是高度局域的，是一個消逝波，且在金屬中場分布比在介質(zhì)中分布更集中，一般分布深度與波長量級相同。 2.在平行于表面的方向，場是可以傳播的，但是由于金屬的損耗存在，所以在傳播的過程中會有衰減存在，傳播距離有限。 表面等離子體的應(yīng)用1.表面等離子體波是在兩種界面附近存在的波，界面兩側(cè)的折射率分布對場分布有很大的影響，利用這一點能夠進行傳感。目前利用Kretschmann結(jié)構(gòu)進行生物傳感的技術(shù)已經(jīng)得到

10、了極大的發(fā)展，這種傳感技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，檢測過程中無需標(biāo)記物，可實時監(jiān)測樣品結(jié)合過程，傳感芯片可重復(fù)利用，響應(yīng)速度快等諸多特點。目前該技術(shù)可用于氣體、 液體和有機薄膜等分析，目前主要用于生命科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。目前市場上主要產(chǎn)品有瑞典Biocore AB公司生產(chǎn)的Biocore 3000等。 2.表面等離子體波具有局域分布的特性，由于光學(xué)衍射極限的存在，傳統(tǒng)的成像技術(shù)不可能突破可見光的波長范圍。使得表面等離子體波能夠應(yīng)用于制作亞波長量級的光電子器件的生產(chǎn)，有利用光電子集成器件的制作。例如：可以制作亞波長量級的波導(dǎo)，亞波長量級的布拉克反射鏡,亞波長量級的透鏡等。由于能夠突破極限，所以能夠應(yīng)用表

11、面等離子體效應(yīng)來做近場顯微鏡，做曝光等等。 2000年，Pendry引進“超透鏡”的概念，通過激發(fā)SPs來增強隱失波，利用銀制作的超透鏡，可以得到60nm分辨率的圖像，突破了光學(xué)的衍射極限。圖1.2 傳統(tǒng)的納米光刻蝕技術(shù)和基于超透鏡的SPs光納米刻蝕性能的比較（a）傳統(tǒng)的納米刻蝕技術(shù)； （b） 利用SPs的納米刻蝕技術(shù)由圖1.1可見，采用SPs的納米刻蝕技術(shù)比傳統(tǒng)的光刻蝕技術(shù)的分辨率提高了很多。傳統(tǒng)的光刻蝕技術(shù)分辨率約為320nm，采用了SPs后，分辨率可以提高4倍。3.等離子體光子芯片當(dāng)光子元件尺寸笑道可與光波長相比擬時，由于衍射極限的存在，光的傳播受到阻礙，目前電子電路可以制作出100nm

12、以下的尺寸了。但是光子回路的尺寸仍保持在1000nm量級?；赟Ps的光子器件作為走出這一困境提供了機遇，在亞波長尺度的金屬結(jié)構(gòu)中光場局域化合導(dǎo)波的可能性，可應(yīng)用于構(gòu)建亞波長光子元件等離子體光子芯片。為了使SPs在光子回路中取得良好的傳輸距離，人們已經(jīng)研究出各種等離子激元導(dǎo)波，例如金屬光子晶體，薄金屬條，金屬納米粒子鏈，金屬納米棒等。50-100nm大小的金屬鏈傳輸距離在納米以內(nèi)，而隧道型結(jié)構(gòu)的亞波長等離激元導(dǎo)波可使傳輸距離達到微米量級?？刂票砻娴入x激元能力的傳輸，使得它適合于實現(xiàn)集成光子回路中信息的傳播 4.SPPs耦合器等離子光子芯片具有輸入和輸出端口，而這些端口可以通過SPPs禍合器，避

13、免將遠場光直接禍合到芯片中的光電子器件上。將半徑為的1/4圓周排列的金屬納米顆粒與SPPs波導(dǎo)整合在一起，當(dāng)聚焦的SPPs饋送進禍合器時，傳播距離可達到，如圖1.3所示。 圖 1.3 SPPs與銀窄條波導(dǎo)的禍合 (a)納米點聚焦陣列 (b)SPPs強度分布5.表面等離子體波在太陽能電池和LED等新型能源相關(guān)器件方面的應(yīng)用。目前可以在太陽能電池上利用表面等離子體效應(yīng)來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同樣也可以在LED上應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)提高其出光效率。如果能研制出商業(yè)化的產(chǎn)品，那么對于解決人類的能源問題，表面等離子體波也能貢獻自己的一份力量。 此外，SPPS還應(yīng)用于制作各種調(diào)制器和開關(guān)、亞波長光

14、學(xué)數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域，顯示了廣闊的應(yīng)用前景1.3 研究目的及意義目前半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED已成為各種固態(tài)發(fā)光器件的重要部分，但是也面臨著發(fā)光效率低的困境。半導(dǎo)體折射率比空氣高，使得發(fā)光層產(chǎn)生的光只有很小一部分輻射到自由空間，大部分的光經(jīng)過多次全反射之后被電極或發(fā)光層吸收了。LED的發(fā)光效率還有很大的提升空間。利用等離激元提高LED發(fā)光效率是光可以激發(fā)表面等離激元，通過合理的金屬表面結(jié)構(gòu)，再以光的方式輻射出去，從而提高LED的量子效率。隨著等離激元理論的深入研究，很多研究者利用SPPS來提高LED的發(fā)光效率，取得了明顯的發(fā)光增強效果。2004年，Okamoto等用inGaN半導(dǎo)體量子阱作為發(fā)光層，在

15、上面蒸鍍了一層金屬薄膜，與沒有加金屬的情況下量子阱發(fā)光強度對比，可獲得最多14倍的發(fā)光增強效果，如圖1.4所示。圖1.4 2004年Okamoto利用金屬薄膜增強量子阱發(fā)光（a） 實驗裝置；（b）不同金屬對發(fā)光增強的影響為進一步利用SPPs提高LED發(fā)光效率，2007年Okamoto等在前面實驗的基礎(chǔ)上，在圖1.5 Okamoto的進一步研究結(jié)果（a） 實驗中金光柵； （b）不同周期的光柵的影響2006年 chenchengyen等利用金屬的擴散，形成金屬納米顆粒中心密度大，周圍逐漸降低的結(jié)構(gòu)，通過探測不同區(qū)域的發(fā)光強度，研究了不同的金屬形貌對發(fā)光增強效果的影響。實驗結(jié)果得到，金屬顆粒密度大的

16、區(qū)域發(fā)光效率高，因為此區(qū)域會產(chǎn)生更多的表面等離激元與發(fā)光層相互作用，更有效的滿足相位匹配條件，使表面等離激元能量輻射圖1.56 Chen Chengyen研究實驗（a） 金屬顆粒分布； （b）不同形貌對發(fā)光的影響2007年、 hDongming等在接近實際使用的InGaN半導(dǎo)體量子阱LED內(nèi)利用表面等離激元獲得了光致發(fā)光的增強頻譜，在相同的注入電流下，金屬層與發(fā)光層之間沒有歐姆接觸時，表面等離激圖 1.7 Yeh Dongming研究實驗（a）實驗結(jié)構(gòu); (b) 不同樣品對發(fā)光的影響 2. 表面等離子體及基本特征表面等離子體激元就是局域在金屬表面的一種由自由電子和光子相互作用形成的激發(fā)態(tài)倏逝波

17、。在這種相互作用中，自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發(fā)生集體振蕩。這種表面電荷振蕩與光波電磁場之間的相互作用就構(gòu)成了具有獨特性質(zhì)的SPPs。表面等離子體激元的電磁場局限于介質(zhì)表面，依靠改變導(dǎo)體表面的性質(zhì)，可以改變表面等離子體激元的性質(zhì)，這就為研制新型的光子學(xué)器件提供了的途徑。同時，SPPs理論在亞波長領(lǐng)域的應(yīng)用解釋了很多傳統(tǒng)光學(xué)難以解釋的問題。近年來，隨著掃描近場光學(xué)顯微技術(shù)(Scanning Near-Field Optical Microscopy，SNOM)的發(fā)展，使直接在材料表面觀測SPPs變?yōu)榭赡?，這極大促進了表面激元的研究。作為當(dāng)前非常前沿和熱門的研究領(lǐng)域，以亞波長金屬微結(jié)構(gòu)

18、為主體的表面等離子體亞波長光學(xué)，主要是利用其在光學(xué)中電磁波通過金屬微結(jié)構(gòu)可超衍射傳輸和微納米尺度上能量局域匯聚放大等特征。2.1外量子效率和內(nèi)量子效率的光電轉(zhuǎn)換效率包括兩部分：內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率是指電子空穴對在結(jié)區(qū)復(fù)合產(chǎn)生光子的效率；外量子效率指將結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光子引出了后的總效率。設(shè)的外量子效率為ex，可用下式表示： （2-1-1）其中：in是內(nèi)量子效率；Cex是逃逸率。的內(nèi)量子效率與外量子效率之間存在巨大的差距。一般來說，高質(zhì)量的內(nèi)量子效率可以達到以上，而它的外量子效率卻非常有限，這是因為ex非常低的緣故，而這主要是由結(jié)區(qū)的特點所決定的。的襯底對光的吸收非常嚴(yán)重，另外它的折射率

19、也很高，導(dǎo)致封裝時的光全反射角很小，影響了出光效率。不能出射的光在結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)換為熱能，提高了結(jié)溫，使晶格震動加劇，影響了內(nèi)部量子效率，也使的壽命大打折扣。發(fā)光二極管有兩大類，一類是有機半導(dǎo)體發(fā)光二極管(OLED)；另一類是聚合物發(fā)光二極管(PLED)。 兩類發(fā)光二極管的發(fā)光機制都是通過電極分別注入電子、空穴，電子、空穴在發(fā)光層復(fù)合產(chǎn)生激子，激子 能量衰減輻射光。發(fā)光二極極中，能量損耗主要存在于兩個方面：第一個方面的損耗是當(dāng)注入載流予在發(fā) 光層中耦合發(fā)光時，并不是所有的注入能量都能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾?，一部分激子能量?jīng)過晶格振動、深能級雜質(zhì)躍遷等非輻射躍遷過程被損耗掉，可以用內(nèi)量子效率描述這個過程的能量損耗

20、；內(nèi)，其 中。和，分別表示輻射躍遷速率和非輻射躍遷速率；第二個方面的損耗是由于半導(dǎo)體發(fā)光材料的折射 率都比較大，光從半導(dǎo)體材料進入空氣時，全反射角很小。當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光材料中產(chǎn)生光子后，只有小部分光從全反射角以內(nèi)輻射，大部分光在全反射角之外，經(jīng)過數(shù)次全反射后被吸收了。如果認為全反射角度以內(nèi)的光能夠沒有損耗的進入空氣中，光能從半導(dǎo)體材料進入空氣中的能量也只有1/2n2,對發(fā)光層是GaAs 半導(dǎo)體材料(n=35)大約只有5的能量能夠進入空氣中，如果考慮實際情況，在全反射角角度內(nèi)還存在菲涅耳反射的損耗，這結(jié)果將更小。可以用外量子效率叩外來描述這個過程的損耗。發(fā)光二極管整體的發(fā) 光效率為=*內(nèi)外 （2-1

21、-2）2.2表面等離子體增強發(fā)光二極管發(fā)光效率的原理表面等離子體(SPs)簡單而言是，在一定的條件下，光激勵金屬表面自由電子集體相干振蕩，而存在 于金屬與介質(zhì)界面的電磁波，它具有空間局域性、局域場增強等特點。利用SPs可以分別提高LED發(fā)光的內(nèi)量子效率和外量子效率利用SPs提高LED的內(nèi)量子效率是基于Purcell在1946年提出的激子自發(fā)輻射速率和態(tài)密度有關(guān)的原理，當(dāng)發(fā)光中心處在波長量級的微腔中，光子的態(tài)密度發(fā)生改變，引起激子自發(fā)輻射速率的改變。利用SPs提高LED外量子效率是大于全內(nèi)反射角的而不能輻射出去的光可激發(fā)SPs，進而通過合理構(gòu)造金屬表面結(jié)構(gòu)，再以光的方式輻射出去，同時光柵結(jié)構(gòu)還可

22、以控制輻射光的出射方向，從而提高LED的外量子效率發(fā)光中心在SPs場范圍內(nèi)時，金屬表面的SPs會影響半導(dǎo)體發(fā)光中心的自發(fā)輻射過程。根據(jù)Purcell提出的理論，激予的自發(fā)輻射躍遷速率與光子態(tài)密度有關(guān)，用Fermi黃金規(guī)則可以描述這個過程 （2-2-1）其中，是激子的自發(fā)輻射速率，是偶極子輻射矩陣元，是光子態(tài)密度，真空中的光子態(tài)密度 (2-2-2)電子一空穴復(fù)合產(chǎn)生激子的能量不僅通過輔射躍遷、非輻射躍遷衰減，還會將能量直接藕合到SPs中，激子能量通過輻射躍遷、非輻射躍遷衰減與激子能量通過耦合成SPs能懿衰減是一個競爭過程。這時，LED的內(nèi)量子效率描述為內(nèi)= （2-2-3）其中是激子能量直接耦合到

23、SPs的耦合速率。激子能量耦合到SPs的過程也用Fermi黃金規(guī)則描述 (2-2-4)其中d是發(fā)光偶極子的動量，是SPs電場在發(fā)光層位置的大小，是SPs的態(tài)密度。在二維的k空間中 (2-2-5)對于無限厚的金屬層，SPs的色散方程為 (2-2-6)如圖2.1所示，上面一條是金屬和空氣界面的色散曲線，下面一條是金屬和介質(zhì)界面的色散曲線從圖2.1可以看到，當(dāng)滿足SPs的共振條件時，SPs的態(tài)密度非常大態(tài)密度越大，發(fā)光中心的自發(fā)輻射速率越大，由（2-2-3）式可以看出，非常大時，LED的內(nèi)量子效率會提高根據(jù)Gontijo等的計算，當(dāng)偶極子的發(fā)光波長與SPs的共振波長相匹配時，SPs加入發(fā)光過程的激子

24、輻射速率可比沒有加入SPs發(fā)光圖2.1 金屬分別和空氣界面、介質(zhì)界面的色散曲線 圖2.2 SPs參與光輻射過程示意圖圖2.2是描述SPs參與發(fā)光輻射過程的示意圖。圖中電子一空穴復(fù)合產(chǎn)生激子的能量會通過輻射躍遷，非輻射躍遷和直接耦合到SPs中蘭種方式衰減。LED的發(fā)光波長中心與SPs的共振波長匹配時，激子能量以遠大于另外兩種衰減方式的速率藕合到SPs中，極大的提高激子能量衰減速率，加快自發(fā)輻射速率，從而提高LED發(fā)光的內(nèi)量子效率。對內(nèi)量子效率比較低的半導(dǎo)體材料，如GaN等，提高發(fā)光內(nèi)量子效率的效果更加明顯。從圖2.1中的SPs的色散曲線可以著到，使用不同金屬材料或者改變金屬表面覆蓋的介質(zhì)層的材料

25、可以改變SPs的性質(zhì)對于不同發(fā)射峰的半導(dǎo)體發(fā)光材料，可以設(shè)計合適的參數(shù)改變SPs的性質(zhì)，使SPs的共振波長與半導(dǎo)體發(fā)光材料發(fā)射峰的波長位置匹配，得到不同半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)光增強效果。通常情況下，自由空間光的波矢始終小于同頻率的SPs的波矢，光不能直接激勵SPs。同樣，SPs的能量也不能直接轉(zhuǎn)化為自由空間的光為了更好的激勵SPs并將SPs能量轉(zhuǎn)化為自由空間的光，必須引入動量補償，使SPs的波矢小予或等于同頻率的自由空間中光的波矢(如圖2.1中的箭頭新示)，這樣才能有效的激勵SPs，將SPs的能量轉(zhuǎn)化為自由空間的光。用周期結(jié)構(gòu)的光柵可提供倒格矢，使SPs的波矢減小到能與自由空間的光的波矢匹配。加入

26、光柵后波矢匹配條件為其中，k為自由空間中光的波矢，為光柵周期。 (2-2-7)光柵的引入可將大于全內(nèi)反射角的而不能輻射出去的光通過SPs與光子的相互耦合轉(zhuǎn)化而輻射出去，同時合理的設(shè)計光柵的周期結(jié)構(gòu)，可以控制輻射光的出射方向，在特定的方向，光柵能夠集中輻射能量的70以上，極大提高LED的外量子效率。光柵能很好的提高SPs能量與自由空間光的耦合效率。利用金屬表面的粗糙結(jié)構(gòu)也能為SPs提供波矢補償，但輻射效率沒有使用光柵的效率高。如果忽略散射所引起的衰減，那么自由電子的運動方程就可以寫為： （2-3-4）可以寫成： （2-3-5） （2-3-6）式（2-3-6）表示金屬內(nèi)部所有電子以同位相作集體自由

27、振蕩的頻率， 為無衰減系統(tǒng)中的等離子體的頻率。當(dāng)電子群偏離平衡位置時，將會受到使它們返回平衡位置的恢復(fù)力；在該恢復(fù)力的作用下，電子群將回到平衡位置，但是由于到達平衡位置時，勢能為零，動能最大，所以電子群將通過平衡位置繼續(xù)向前運動，直至全部動能變?yōu)閯菽?。如此往?fù)，電子這種簡單的周期性運動被稱為電子集體振蕩。232表面等離子體振蕩前面討論的是塊狀金屬內(nèi)電子群的振蕩，這一段我們主要考慮金屬表面自由電子振蕩的情形，由于電子的橫向運動受到金屬表面的阻礙，所以在金屬表面上電子的濃度以梯度分布，形成了局限于金屬表面的等離子體振蕩，Powell和Swan的電子能量損失實驗已經(jīng)證明了該振蕩的存在。伴隨著表面等離

28、子體的振蕩，產(chǎn)生了一種傳播于金屬表面，并且振幅沿z方向衰減的表面電磁波，我們把該電磁波稱為表面等離子體波(SPW)。由于表面電荷的振蕩，產(chǎn)生橫向和縱向的電磁場，可知該電磁場在時消失，在金屬的表面最強，因此對表面的性質(zhì)很敏感，電場可以寫為： （2-3-7）其中±分別對應(yīng)z0和Z<0，波矢在X和Z方向的分量分別為Kx和Kz，由于Kz也為敘述或者復(fù)數(shù)，使得Ez以e指數(shù)的形式減小，其中Kx為： （2-3-8）p為等離子體波的波長。在界面處，表面等離子體波沿X方向傳播，沒有Y分量，所以介質(zhì)中的場可以寫為： （2-3-9）該電磁波滿足麥克斯韋方程：和邊界條件：從(217)和(21 8)可以

29、得出：把方程(29)(212)代N(213)式可以得出：即綜合上面，可以推知：及 由于波矢Kx通過電磁場界面時是連續(xù)的，將式(2。26)帶八瓦(227)7就可以分別得波矢Kx和Kzi的表達式：由于和2都是實數(shù)，而金屬的介電常數(shù)1在該電磁波頻率下通常為復(fù)數(shù)，并且，因此Kx1也是一個復(fù)數(shù)，我們可以寫成，其中絕大多數(shù)金屬且，這就使得是實數(shù)，而且，決定了表面等離子體的振動頻率，則相當(dāng)于表面等離子體波的阻尼因子，所以表面等離子體波在沿金屬表面?zhèn)鞑サ倪^程中，振幅以負指數(shù)的形式衰減。§223表面等離子體的產(chǎn)生條件介質(zhì)l和介質(zhì)2均為半無限大的各向同性非磁性介質(zhì)，其相對介電常數(shù)分別為q(緲)和g：(緲

30、)，假設(shè)在如圖2-1所示的界面上存在表面等離子體波，且沿界面x軸方向傳播。由式(圖2-1表面等離子體的界面條件由于Kz1和Kz2均為正實數(shù)，那么介質(zhì)1和介質(zhì)2的相對介電常數(shù)的符號一定相反，即表面等離子體一定存在于兩種介質(zhì)介電常數(shù)符號相反的界面上。如果其中一個介質(zhì)是介電常數(shù)的實部為負的金屬，那么就符合表面等離子波產(chǎn)生的條件。在可見光和近紅外區(qū)域，像金、銀、鋁等這些反射率較高的金屬來說，它們的復(fù)介電常數(shù)是實部的絕對值比其虛部大得多的負數(shù)，即有由于金屬的這種特殊光學(xué)性質(zhì)，使得表面等離子波可以在金屬和介質(zhì)的界面?zhèn)鬏敚疫€可以在夾于兩介質(zhì)中的金屬薄膜表面產(chǎn)生長程表面等離子波。 3 一維金屬光柵在表面等

31、離子體原理中的應(yīng)用 根據(jù)經(jīng)典理論,光波在狹縫中的透過率都正比于狹縫尺寸與入射波長 比值 的 4次方 ， 所 以亞波長金屬狹縫的透過率 是極低的 Eb b e s e n等 發(fā)現(xiàn)當(dāng)一束光垂直通過周期性小孔陣列的金屬銀膜時在某些特定的波長上 P偏振光有異常的透過增強他們給出的解釋是金屬表面的周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了表面等離子激元共振 理論和實驗證 明， 多種亞波長金屬微結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對入射光的異常透射效果 ， 其中包括具有亞波 長狹縫的金屬薄膜、 帶有光柵的金屬薄膜結(jié)構(gòu)等， 這 對光學(xué)超分辨領(lǐng)域 的研究起到了極 大的推動作用 這種金屬亞波長結(jié)構(gòu)的增透效應(yīng)在超分辨率納米光 刻 、 近場光學(xué)、 高密度數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)

32、域具有巨大的應(yīng) 用潛力 已有的研究主要側(cè)重于表面等離子體波耦合激 發(fā)現(xiàn)象的分析 以及亞波長器件的設(shè)計L 3 書 S P Ps波是金屬激發(fā)的表面波 ， 并能在金屬一 介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，其原理是由于金屬表面電子在外加 TM 偏振光作用下發(fā)生了極化 表征 S P Ps波的一個重要特性是 ： 激發(fā)出的 S P Ps波的波矢 比自由空問的波矢大 ， 因 此 S P Ps波具有超分辨的特性 3.1 基本原理及金屬材料 的選擇 S P Ps是局域在導(dǎo)體 ( 一般是金屬) 表面上 自由 電子與入射光 子相互作用而產(chǎn)生 的激發(fā)態(tài)激元 ， 又 稱電荷密度 波， 以倏逝波 的形式存在 如圖3.1（a）所 示 ， 表面

33、等離子波( S PW) 在光滑的金屬一 介質(zhì)交界面 傳播時， 電場矢量可 以分為平 行于接觸 界面 的Ex以及垂直于接觸界面的Ey， 其分布表述如下 ： (3-1-1)其中 S P W 以波矢沿界面x方 向傳播 ， 傳播 常數(shù)為 (3-1-2)(3-1-2) 式 中：和分別為介質(zhì)材料和金屬材料的介 電常 數(shù)，與分別表示的虛部和實部 在光滑的金屬一 介質(zhì)界面上，的色散曲線與入射光波矢量 的關(guān)系見圖3.1( b ) ， 其中和c分別為光 波角頻率和自由空間 的光 速一 般 情 況 下 由于，在平坦 的金屬一 介質(zhì) 界 面上， 入射光無法和 S P Ps耦合激發(fā) ； 但是如果在金屬介質(zhì)界面上加入特殊

34、結(jié)構(gòu)后， 改變了入射光波矢量則將使 S PP s和入射光 的耦合成 為可能 常用 的方法主要是利用全反射 結(jié)構(gòu)、 衍射結(jié) 構(gòu)、 光柵微 結(jié)構(gòu)等 圖3.1 SPPs的傳播特性從式(3-1-1)中可 以看 出， 在垂直于界面方向 S PW 的電場幅值以常數(shù) k 呈指數(shù)衰減 ， 介質(zhì)側(cè)；，金屬側(cè) (3-1-3 )因此定義 S P W 在介質(zhì)側(cè)的垂直傳播深度： (3-1-4)因為金屬中存在歐姆損耗 ， S PW 沿界面?zhèn)鞑r也呈 指數(shù)衰減 ， 其水平方向傳播距離 L 由 k 的虛部 a ， 即吸收系數(shù)來決定 ： （3-1-5） 利用式 (3-1-4)、 （3-1-5）計算 得到金屬材料 的 和 如 圖

35、 2所示 ， 介質(zhì)材料 選擇為空氣， 結(jié)合金屬材料 的反射曲線 ， 當(dāng)波長 大 于 4 5 0 n m 時， 鋁( A1 ) 的最大 ， 這意味著在垂直 于界面的方向S P W 衰減最緩慢 ， 相對而言更容 易耦合 ， 但鋁膜的遠小于銀( Ag ) 膜 ， 所以鋁膜對 S P W 的吸收較大， 而銀膜在可見光及近紅外波段具 有最小 的吸收損耗 由圖3.2可知 ， 在亞波長金屬薄膜微結(jié)構(gòu)中， 金屬 銀 的特性最佳 ， 尤其當(dāng)狹縫較深時， 銀是首選的金屬 材料 在紅外波段金 ( Au ) 具有 比較好的性質(zhì) ， 是一 種可選的材料 在下面的金屬亞波長微結(jié)構(gòu)中 ， 使用金屬材料均是銀 圖3.2 光波

36、在4中重要金屬薄膜中的傳播特性3.2 金屬表面微結(jié)構(gòu) 現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的結(jié)構(gòu)多屬一維或二維陣列 的金屬微結(jié)構(gòu) 由于條件的限制 ， 本文暫對一維 的薄膜金屬微結(jié)構(gòu)展開研究一維薄膜金屬微結(jié)構(gòu)是指金屬狹縫與一維金屬光柵 已有研究證明， 亞波長金屬狹縫在一維金屬光柵輔助下可以實現(xiàn)超常透 射和對出射光遠場分布的控制 亞波長線性狹縫結(jié)構(gòu)如圖 3.3所示 ， 狹縫寬度為 ， 狹縫深度為 t ， 光柵周期為 d， 光柵深度為 h， 狹縫 單側(cè)的光柵周期數(shù)為 N， 下標(biāo) 0代表入射面， 1代表 出射面 本文借助于人射光透射 的 3個步驟 ， 以波長 為1050nm的 P偏振為例 ， 來圖3.3亞波長金屬狹縫的入

37、射面于出射面上對稱分布的一維金屬光柵透射的 3步驟分為： 1 ) 耦合輸入 函數(shù)表示入 射光在亞波長孔徑的人 口處轉(zhuǎn)變?yōu)橘渴挪ǖ目偭浚?即透射增強作用 ； 2 ) 倏逝波受小孔截止 函數(shù)的影響 在傳輸過程 中呈指數(shù)形式衰減 ； 3 ) 在 出射界面耦合 輸出函數(shù)決定了倏逝波轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚鞑ゲǖ男问?， 即 控制出射光的遠場分布 采用時域有 限差分 ( FDTD) 法， 將計算 區(qū)域沿 z、 y方 向分成400×400網(wǎng)格單元 ，分別為 網(wǎng)格單元沿 x、方 向上的長度時間增量 計算中上下邊界采用各向 異性介質(zhì)完全匹配層的吸收邊界， 左右邊界采用周期性邊界條件 ， 研究其線性凹槽結(jié)構(gòu)的透射能

38、流 3.3 入射面光柵對亞波長金屬狹縫的透射增強作用 如圖3. 4 ( a ) 所示 ， 在獨立懸浮的銀膜 可知在光柵表面 能夠激發(fā) S P Ps 由于人射 波長為1050n m， 根據(jù)金屬光柵 S PP s耦合公式 （3-3-2）可得當(dāng)入射角0=0， 級次m=1時， 激發(fā)的 S P P s 波 長應(yīng) 與光柵 周期d0相 等 ， 即1000n m 圖3.4 ( b ) 的結(jié)構(gòu)是具有單個亞波長細縫 的金屬 Ag薄膜 ， 未加任何 光柵 微結(jié)構(gòu) 其 細縫 的寬 度為 180 n m， 銀膜的厚度為 500nm 圖 3.4 ( a ) 在圖3. 4( b ) 結(jié) 構(gòu)的基礎(chǔ)上， 在入射面增加了金屬光柵

39、微結(jié)構(gòu) ， 光柵周期為1000 n m， 深度為80n m 在相同強度的 P偏 振高斯光束入射下 ， 加 了光柵凹槽之后 ， 在入射面形 成了強烈的共振耦合激發(fā) ， 出射面透射明顯增強 ， 而 透射光的出射方 向與一般 的單縫衍射相同， 仍然 向 整個半空間內(nèi)衍射。 若在入射面的亞波長狹縫兩側(cè)加上光柵結(jié)構(gòu)， 則 影響其透射效果的參數(shù)還有柵格凹槽數(shù) 目N和光柵 凹槽深度 h等 在圖3.4 ( a ) 的結(jié)構(gòu)中， 當(dāng)觀察出射面外100n m處光強隨光柵凹槽數(shù) 目的變化情況時， 從圖 3.5 ( a ) 可以發(fā)現(xiàn)， 隨著凹槽數(shù) 目逐漸增加， 透射光強 I隨之增大， 當(dāng) N 為 5時， 透射光強已基本

40、達到飽和 光柵凹槽深度對透射作用的影響也是相當(dāng)明顯的， 如圖3. 5 ( b ) 所示 ， 計算光柵深度在 2 0 1 8 0 n m變化時， 當(dāng)光柵深度小于100nm時， 透射光強隨著光柵凹槽的深度增加而增強 ， 當(dāng)光柵深度為100 n m時透射光強達到最大， 隨后又隨凹槽深度的增加而減小 因此對于 圖3. 4 ( a ) 所示的結(jié)構(gòu)， 深度取 1 0 0 n m左右是最佳結(jié)構(gòu) 圖 3.5 出射光強與金屬光柵凹槽數(shù)目和深度的關(guān)系3.3.1 亞波長金屬狹縫中的傳輸特性 研究表明， 線性金屬亞波長微結(jié)構(gòu)的透射光強還 受到亞波長狹縫深度， 即金屬膜厚度的影響 如圖3. 6 所示 ， 當(dāng)細縫深度為人

41、射光波長的 1 4奇數(shù)倍時， 透射光強達到極大值 ； 而為波長的 1 4偶數(shù)倍時， 透射 光強為極小值 ， 相鄰的極大值與極小值之間的比值 大約為1.2 同心圓牛眼光柵微結(jié)構(gòu)的出射光強 與 膜厚成反比口 ， 可以看出， 線性狹縫結(jié)構(gòu)與 同心 圓牛眼光柵的耦合波傳輸有區(qū)別 圖3.6 出射光強與金屬薄膜厚度的變化光系由于受到狹縫深度 的截止作用 ， 隨著金屬膜厚 的增加 ， 極大值和極小值均在減小 ， 這為選擇金屬亞 波長結(jié)構(gòu)的參數(shù)提供了依據(jù) 在后面的結(jié)構(gòu)中， 當(dāng)厚 度選擇為680nm 的 Ag膜時 ， 可實現(xiàn)最大的透射增 強作用 出射面光柵控制出射光的遠場分布 出射面光柵決定了倏逝波轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚鞑?/p>

42、波的形 式 ， 即控制出射光的遠場分布 如果 出射面光柵與 S PP s滿足 （3-3-3）則可以實現(xiàn)1方 向出射如果 出射 面光柵是對 稱 的 ， 出射光可能分別 出現(xiàn)會聚、 準(zhǔn)直、 發(fā)散 3種形式 圖 3.7給出了其 中 2種形式的出射情況 ， 圖3. 7 ( a ) 中出 射面光柵周期為7 2 0 n m， 出射角為,呈圖3.7 出射面光柵對光束角度的控制 4小 結(jié)本文介紹了利用表面等離子體增強發(fā)光二極管的發(fā)光效率的原理以及近年來的研究成果。理論分析和實驗研究結(jié)果均表明，利用金屬表面產(chǎn)生的SPPs的特殊性質(zhì)可以影響有機發(fā)光二極管(LED)和無機發(fā)光二極管(OLED)的發(fā)光過程。但是，SPPs影響發(fā)光二極管發(fā)光過程的物理機理還有待深入研究，增強發(fā)光效率的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)還需要進一步優(yōu)化設(shè)計。利用SPPs的特殊性質(zhì)，可以有效提高發(fā)光效率，雖然現(xiàn)階段的研究離實際應(yīng)