氮化镓基异质界面的表面等离激元效应研究

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氮化镓自上世纪八十年代产生以来,在各个领域引起了一股极大的研究热潮。作为第三代半导体材料的代表,氮化镓在制造抗辐射、大功率、高频率、高集成密度的电子元件以及各颜色发光器件和紫外发光器件、光探测器件方面有着极其重要的应用。随着氮化镓(GaN)蓝光发光二极管的诞生,以及各种波长氮化镓激光器的相继研制成功,氮化镓材料在LED等器件应用领域有着越来越重要的地位。但是光在氮化镓材料的传输过程中仍然存在着效率低下的问题,这有着材料自身内部的原因和外部原因。近几年来对于三族氮化物材料的优化,已经极大地改善了氮化镓材料自身的发光效率,然而光在氮化镓中传输的效率仍然很低下。所以研究氮化镓介质,提高光在氮化镓中的传播效率,能使其在将来的光显示、光电元件和光电集成行业具有光明的应用前景。光在金属表面能激发等离子体表面波,入射光被吸收,同时金属内的自由电子和光子相互作用,光在金属表面有一个明显的增强效应。根据这个现象,可以在氮化镓材料中加入纳米量级的金属元件,来实现光在传输过程中的局部放大,从而实现传输效率的提高。近几年相关的研究也比较多,蓝光波长光强已经增大到十几倍,但对于人眼最敏感的黄绿光却都只有一倍左右的增强,而且他们的模型成本比较高、模型结构复杂,所以基于我们的研究,我们提出了一种基础的金属光栅结构,它经济实惠、简单易行,而且对于黄绿光光强增强效率较之前的研究有了很大的提高,适用于推动新型氮化镓光电器件在实际生活中的应用。我们首先分析等离子体表面波及其特性、激发条件,提供研究的理论基础;其次,介绍对等离子表面波的数值模拟所采用的几种基本方法,同时做出相关的比较,为研究提供算法上的支持。再次,设计了一种简单实用的模型,实现光在氮化镓基下实现对等离子体表面波的激发,实现对光强的放大并分析相关的参数。通过计算分析了不同参数对模型实现光放大功能的影响,研究了银质、铝质、金质金属光栅结构的数值分析结果。通过这种简单的铝质和银质基础光栅结构,我们能够很容易获得7.4~7.6倍的550纳米光强度放大,这个倍数比之前的研究结果更高。
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