畢業(yè)設計（論文）專用紙PAGE第12頁共34頁摘要表面等離子體(Surfaceplasmons，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(Light—emittingdiode，LED)的發(fā)光效率。利用表面等離子體場局域性質，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)光中心的內量子效率；并且可以制作合適的結構，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果，本文對現(xiàn)階段的研究進展進行綜述．關鍵詞:發(fā)光二極管表面等離激元金屬光柵AbstractSurfaceplasmonsisahotspotofresearchinrecentyears．Surfaceplasmonshavesomeparticularcharacteristicssuch0,8electricfieldlocalizationandelectricfieldenhancement．ThesecharacteristicsCanbeusedtoenhanceemi船ionoflight—emittingdiode．Becauseof，electricfieldlocalization，SPshaslargedensityofstateswhenexcited．Thiscaninfluencetheradiationrateofexcitonandimprovethequantumyield．ThedirectionofradiationandtheefficiencyofLEDcanbecontroledbyappropriateconfiguration．ManyresearchgroupshaveinvestigatedthephyrsicalmechanismofenhanceemissionusingSPsinrecentyearsandgetsomegreatresults．Thedevelopmentofenhancedemissionoflight—emittingdiodeusingsurfaceplasmonsisreviewed．Keywords:LightemittingdiodeSurfaceplasmonMetalgrating1緒論1.1研究背景光二極管(LightEmittingDiode，LED)是一種可將電能轉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)的產品及與LED配套的產品如白光LED驅動器發(fā)展迅速，新產品不斷上市，已發(fā)展成不少新型產業(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，經過半個多世紀的發(fā)展，技術上已取得了很大的進步。現(xiàn)在的LED光強達到燭光級，壽命達到數萬小時，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，但同時又面臨器件溫升效應的問題。因此通過其它途徑來增加LED的發(fā)光效率，成為國內外的研究熱點。由于半導體折射率很高，由于全反射等因素，有源層產生的光絕大部分在LED內部轉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]等方法改善光在LED不同材料界面產生的反射，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，當電磁波入射到金屬表面時，金屬表面兩側的電場的垂直分量不連續(xù)，自由電子局部會聚集在金屬表面，隨電場的變化而振蕩，當電子的振蕩頻率和入射電磁波的頻率一致時就會產生共振，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/介質表面，局部聚集的自由電子受到平行于金屬表面的電場驅動，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?，而在垂直于該表面的法向上呈指數衰減。光波與粗糙金屬表面或金屬納米結構的禍合，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，使得近場外圍內的介質對外界電磁場的響應呈現(xiàn)獨特的線性或非線性效應，如在特定的波長范圍內出現(xiàn)強烈的光吸收、光散射、發(fā)光和二次及三次諧波發(fā)生等，使能量傳輸和轉換效率得到大幅度提高。而當改變金屬表面結構時，sPs的性質、色散關系、激發(fā)模式、耦合效應等都將產生重大的變化。通過SPs與光場之間的相互作用，能夠實現(xiàn)對光傳播的主動操控。表面等離子體光子學已成為一門新興的學科，它的原理、新穎效應以及機制的探究，都極大地吸引研究者們的興趣。1.2.1表面等離子的概念表面等離子體（SurfacePlasmons，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生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。其產生的物理原理如下：如作圖所示，在兩種半無限大、各向同性介質構成的界面，介質的介電常數是正的實數，金屬的介電常數是實部為負的復數。根據maxwell方程，結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。\o"查看圖片"

圖1.1金屬膜與電介質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。1.2.2表面等離子體的應用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結構進行生物傳感的技術已經得到了極大的發(fā)展，這種傳感技術結構簡單，靈敏度高，檢測過程中無需標記物，可實時監(jiān)測樣品結合過程，傳感芯片可重復利用，響應速度快等諸多特點。目前該技術可用于氣體、液體和有機薄膜等分析，目前主要用于生命科學和化學領域。目前市場上主要產品有瑞典BiocoreAB公司生產的Biocore3000等。2.表面等離子體波具有局域分布的特性，由于光學衍射極限的存在，傳統(tǒng)的成像技術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用于制作亞波長量級的光電子器件的生產，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，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，所以能夠應用表面等離子體效應來做近場顯微鏡，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，突破了光學的衍射極限。圖1.2傳統(tǒng)的納米光刻蝕技術和基于超透鏡的SPs光納米刻蝕性能的比較（a）傳統(tǒng)的納米刻蝕技術；（b）利用SPs的納米刻蝕技術由圖1.1可見，采用SPs的納米刻蝕技術比傳統(tǒng)的光刻蝕技術的分辨率提高了很多。傳統(tǒng)的光刻蝕技術分辨率約為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以下的尺寸了。但是光子回路的尺寸仍保持在1000nm量級。基于SPs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構中光場局域化合導波的可能性，可應用于構建亞波長光子元件——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，人們已經研究出各種等離子激元導波，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，而隧道型結構的亞波長等離激元導波可使傳輸距離達到微米量級。控制表面等離激元能力的傳輸，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波導整合在一起，當聚焦的SPPs饋送進禍合器時，傳播距離可達到，如圖1.3所示。圖1.3SPPs與銀窄條波導的禍合(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等新型能源相關器件方面的應用。目前可以在太陽能電池上利用表面等離子體效應來提高太陽能電池的光電轉換效率，同樣也可以在LED上應用表面等離子體效應提高其出光效率。如果能研制出商業(yè)化的產品，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還應用于制作各種調制器和開關、亞波長光學數據存儲等領域，顯示了廣闊的應用前景1.3研究目的及意義目前半導體發(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。半導體折射率比空氣高，使得發(fā)光層產生的光只有很小一部分輻射到自由空間，大部分的光經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構，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半導體量子阱作為發(fā)光層，在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1.42004年Okamoto利用金屬薄膜增強量子阱發(fā)光實驗裝置；（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上，在圖1.5Okamoto的進一步研究結果實驗中金光柵；（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，周圍逐漸降低的結構，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。實驗結果得到，金屬顆粒密度大的區(qū)域發(fā)光效率高，因為此區(qū)域會產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1.56ChenChengyen研究實驗金屬顆粒分布；（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半導體量子阱LED內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1.7YehDongming研究實驗（a）實驗結構;(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。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成了具有獨特性質的SPPs。表面等離子體激元的電磁場局限于介質表面，依靠改變導體表面的性質，可以改變表面等離子體激元的性質，這就為研制新型的光子學器件提供了的途徑。同時，SPPs理論在亞波長領域的應用解釋了很多傳統(tǒng)光學難以解釋的問題。近年來，隨著掃描近場光學顯微技術(ScanningNear-FieldOpticalMicroscopy，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。作為當前非常前沿和熱門的研究領域，以亞波長金屬微結構為主體的表面等離子體亞波長光學，主要是利用其在光學中電磁波通過金屬微結構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外量子效率和內量子效率ＬＥＤ的光電轉換效率包括兩部分：內量子效率和外量子效率。內量子效率是指電子空穴對在ＬＥＤ結區(qū)復合產生光子的效率；外量子效率指將ＬＥＤ結區(qū)產生的光子引出了ＬＥＤ后的總效率。設ＬＥＤ的外量子效率為ηex，可用下式表示：（2-1-1）其中：ηin是內量子效率；Cex是逃逸率。ＬＥＤ的內量子效率與外量子效率之間存在巨大的差距。一般來說，高質量ＬＥＤ的內量子效率可以達到９９％以上，而它的外量子效率卻非常有限，這是因為ηex非常低的緣故，而這主要是由ＬＥＤ結區(qū)的特點所決定的。ＬＥＤ的ＧａＡｓ襯底對光的吸收非常嚴重，另外它的折射率也很高，導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ＬＥＤ結區(qū)轉換為熱能，提高了結溫，使晶格震動加劇，影響了內部量子效率，也使ＬＥＤ的壽命大打折扣。發(fā)光二極管有兩大類，一類是有機半導體發(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)光層復合產生激子，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變?yōu)楣庾?，一部分激子能量經過晶格振動、深能級雜質躍遷等非輻射躍遷過程被損耗掉，可以用內量子效率描述這個過程的能量損耗；η內，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體發(fā)光材料的折射率都比較大，光從半導體材料進入空氣時，全反射角很小。當半導體發(fā)光材料中產生光子后，只有小部分光從全反射角以內輻射，大部分光在全反射角之外，經過數次全反射后被吸收了。如果認為全反射角度以內的光能夠沒有損耗的進入空氣中，光能從半導體材料進入空氣中的能量也只有1/2n2,對發(fā)光層是GaAs半導體材料(n=3．5)大約只有5％的能量能夠進入空氣中，如果考慮實際情況，在全反射角角度內還存在菲涅耳反射的損耗，這結果將更小?？梢杂猛饬孔有蔬低鈦砻枋鲞@個過程的損耗。發(fā)光二極管整體的發(fā)光效率為η=η*內η外（2-1-2）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)光的內量子效率和外量子效率．利用SPs提高LED的內量子效率是基于Purcell在1946年提出的激子自發(fā)輻射速率和態(tài)密度有關的原理，當發(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，進而通過合理構造金屬表面結構，再以光的方式輻射出去，同時光柵結構還可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場范圍內時，金屬表面的SPs會影響半導體發(fā)光中心的自發(fā)輻射過程。根據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，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)電子一空穴復合產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的內量子效率描述為內=（2-2-3）其中是激子能量直接耦合到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界面的色散曲線．從圖2.1可以看到，當滿足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的內量子效率會提高．根據Gontijo等的計算，當偶極子的發(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、介質界面的色散曲線圖2.2SPs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。圖中電子一空穴復合產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)光的內量子效率。對內量子效率比較低的半導體材料，如GaN等，提高發(fā)光內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層的材料可以改變SPs的性質．對于不同發(fā)射峰的半導體發(fā)光材料，可以設計合適的參數改變SPs的性質，使SPs的共振波長與半導體發(fā)光材料發(fā)射峰的波長位置匹配，得到不同半導體發(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化為自由空間的光．為了更好的激勵SPs并將SPs能量轉化為自由空間的光，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的能量轉化為自由空間的光。用周期結構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化而輻射出去，同時合理的設計光柵的周期結構，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構也能為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）表示金屬內部所有電子以同位相作集體自由振蕩的頻率，為無衰減系統(tǒng)中的等離子體的頻率。當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力；在該恢復力的作用下，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?。如此往復，電子這種簡單的周期性運動被稱為電子集體振蕩。2．3．2表面等離子體振蕩前面討論的是塊狀金屬內電子群的振蕩，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證明了該振蕩的存在。伴隨著表面等離子體的振蕩，產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，因此對表面的性質很敏感，電場可以寫為：（2-3-7）其中±分別對應z≥0和Z<0，波矢在X和Z方向的分量分別為Kx和Kz，由于Kz也為敘述或者復數，使得Ez以e指數的形式減小，其中Kx為：（2-3-8）λp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(2．17)和(2．18)可以得出：把方程(2．9)～(2．12)代／N．(2—13)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(2‘27)7就可以分別得波矢Kx和Kzi的表達式：由于ω和ε2都是實數，而金屬的介電常數ε1在該電磁波頻率下通常為復數，并且，因此Kx1也是一個復數，我們可以寫成，其中絕大多數金屬且，這就使得是實數，而且，決定了表面等離子體的振動頻率，則相當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，振幅以負指數的形式衰減?！?．2．3表面等離子體的產生條件介質l和介質2均為半無限大的各向同性非磁性介質，其相對介電常數分別為q(緲))和g：(緲)，假設在如圖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，那么介質1和介質2的相對介電常數的符號一定相反，即表面等離子體一定存在于兩種介質介電常數符號相反的界面上。如果其中一個介質是介電常數的實部為負的金屬，那么就符合表面等離子波產生的條件。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，它們的復介電常數是實部的絕對值比其虛部大得多的負數，即有由于金屬的這種特殊光學性質，使得表面等離子波可以在金屬和介質的界面?zhèn)鬏?，而且還可以在夾于兩介質中的金屬薄膜表面產生長程表面等離子波。3一維金屬光柵在表面等離子體原理中的應用根據經典理論,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．Ebbesen等發(fā)現(xiàn)當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構產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構能夠實現(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構等，這對光學超分辨領域的研究起到了極大的推動作用．這種金屬亞波長結構的增透效應在超分辨率納米光刻、近場光學、高密度數據存儲等領域具有巨大的應用潛力．已有的研究主要側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計L3書]．SPPs波是金屬激發(fā)的表面波，并能在金屬一介質界面?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SPPs波的一個重要特性是：激發(fā)出的SPPs波的波矢比自由空問的波矢大，因此SPPs波具有超分辨的特性．3.1基本原理及金屬材料的選擇SPPs是局域在導體(一般是金屬)表面上自由電子與入射光子相互作用而產生的激發(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，表面等離子波(SPW)在光滑的金屬一介質交界面?zhèn)鞑r，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SPW以波矢沿界面x方向傳播，傳播常數為(3-1-2)(3-1-2)式中：和分別為介質材料和金屬材料的介電常數，α與β分別表示的虛部和實部．在光滑的金屬一介質界面上，的色散曲線與入射光波矢量的關系見圖3.1(b)，，其中ω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界面上，入射光無法和SPPs耦合激發(fā)；但是如果在金屬介質界面上加入特殊結構后，改變了入射光波矢量則將使SPPs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構、衍射結構、光柵微結構等圖3.1SPPs的傳播特性從式(3-1-1)中可以看出，在垂直于界面方向SPW的電場幅值以常數k呈指數衰減，介質側；，金屬側(3-1-3)因此定義SPW在介質側的垂直傳播深度：(3-1-4)因為金屬中存在歐姆損耗，SPW沿界面?zhèn)鞑r也呈指數衰減，其水平方向傳播距離L由k的虛部a，即吸收系數來決定：（3-1-5）利用式(3-1-4)、（3-1-5）計算得到金屬材料的和．如圖2所示，介質材料選擇為空氣，結合金屬材料的反射曲線，當波長大于450nm時，鋁(A1)的最大，這意味著在垂直于界面的方向SPW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SPW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構中，金屬銀的特性最佳，尤其當狹縫較深時，銀是首選的金屬材料．在紅外波段金(Au)具有比較好的性質，是一種可選的材料．在下面的金屬亞波長微結構中，使用金屬材料均是銀．圖3.2光波在4中重要金屬薄膜中的傳播特性3.2金屬表面微結構現(xiàn)階段國內外研究的結構多屬一維或二維陣列的金屬微結構．由于條件的限制，本文暫對一維的薄膜金屬微結構展開研究．一維薄膜金屬微結構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．亞波長線性狹縫結構如圖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，狹縫單側的光柵周期數為N，下標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)耦合輸入函數表示入射光在亞波長孔徑的人口處轉變?yōu)橘渴挪ǖ目偭?，即透射增強作用?)倏逝波受小孔截止函數的影響在傳輸過程中呈指數形式衰減；3)在出射界面耦合輸出函數決定了倏逝波轉變?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網格單元，分別為網格單元沿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，研究其線性凹槽結構的透射能流．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)SPPs．由于人射波長為1050nm，根據金屬光柵SPPs耦合公式（3-3-2）可得當入射角θ0=0，級次m=1時，激發(fā)的SPPs波長應與光柵周期d0相等，即1000nm．圖3.4(b)的結構是具有單個亞波長細縫的金屬Ag薄膜，未加任何光柵微結構．其細縫的寬度為180nm，銀膜的厚度為500nm．圖3.4(a)在圖3.4(b)結構的基礎上，在入射面增加了金屬光柵微結構，光柵周期為1000nm，深度為80nm．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衍射。若在入射面的亞波長狹縫兩側加上光柵結構，則影響其透射效果的參數還有柵格凹槽數目N和光柵凹槽深度h等．在圖3.4(a)的結構中，當觀察出射面外100nm處光強隨光柵凹槽數目的變化情況時，從圖3.5(a)可以發(fā)現(xiàn)，隨著凹槽數目逐漸增加，透射光強I隨之增大，當N為5時，透射光強已基本達到飽和．光柵凹槽深度對透射作用的影響也是相當明顯的，如圖3.5(b)所示，計算光柵深度在20~180nm變化時，當光柵深度小于100nm時，透射光強隨著光柵凹槽的深度增加而增強，當光柵深度為100nm時透射光強達到最大，隨后又隨凹槽深度的增加而減?。虼藢τ趫D3.4(a)所示的結構，深度取100nm左右是最佳結構．圖3.5出射光強與金屬光柵凹槽數目和深度的關系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構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，當細縫深度為人射光波長的1／4奇數倍時，透射光強達到極大值；而為波長的1／4偶數倍時，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構的出射光強與膜厚成反比口，可以看出，線性狹縫結構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構的參數提供了依據．在后面的結構中，當厚度選擇為680nm的Ag膜時，可實現(xiàn)最大的透射增強作用．3.3.2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變?yōu)榭蓚鞑ゲǖ男问剑纯刂瞥錾涔獾倪h場分布．如果出射面光柵與SPPs滿足（3-3-3）則可以實現(xiàn)θ1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720nm，出射角為,呈圖3.7出射面光柵對光束角度的控制4小結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果均表明，利用金屬表面產生的SPPs的特殊性質可以影響有機發(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