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新型纳米光子周期性结构设计及其光传输特性研究

作　者: 郑改革
导　师: 李相银
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 光子晶体表面等离子激元光子材料纳米压印薄膜太阳能电池严格耦合波分析时域有限差分算法
分类号: TN256
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光子学是当今物理学领域发展十分迅速的一个领域。随着纳米科技的进步,传统的光子学研究领域已经被拓展到光子晶体、表面等离子激元学等新的研究方向。作为集成光路中最为基本的组成元件,光子晶体和表面等离子激元纳米周期性材料与结构正吸引着越来越多的科研工作者的兴趣,同时致使一个重要学科分支—纳米光子学的产生。正是在这样的背景下,我们开展了一些相关的研究工作。本学位论文主要研究光子晶体和表面等离子激元周期性材料中的新颖光学特性,基于此设计出新型纳米光子器件,并探讨其在纳米光子集成和提高薄膜太阳能电池效率等方面的应用。具体研究内容与结果如下：(1)研究了光子晶体的色散特性,着重研究光子晶体的特殊光学现象-自准直、定向发射、同向耦合性质。利用自准直和同向耦合效应,设计了一种耦合长度只有11倍晶格常数的可以任意弯曲的光子晶体分束器。通过对自准直区域入射和出射端面的修饰,即使入射点光源位置在15倍晶格常数距离之外,出射光仍可以形成定向发射,在空气中传播30倍晶格常数距离时,发散角在15度以内。在此基础上,探讨了光子晶体自准直、定向发射和同向耦合性质在集成光学互联中应用的可能性。(2)利用亚波长金属狭缝结合表面电介质光栅对表面等离子波的控制,提出了分别具有亚波长金属单缝和双缝的两种表面等离子激元聚焦器件的设计方案,时域有限差分数值计算结果显示,两种金属纳米透镜的聚焦光斑半高宽均小于入射光波长,会聚长度只有5到6倍入射光波长。通过改变表面光栅形状与分布、入射小孔的形状可以控制出射光的相位变化,从而调节金属纳米透镜的聚焦长度和聚焦光斑半高宽。(3)根据亚波长金属复合光栅的衍射、散射、反射特性和表面等离子激元的近场电磁场增强效应,在太阳能电池背部引入复合光栅提出了一种能够显著提高光子捕获能力的光学结构的设计方案。严格耦合波数值分析结果证实不论入射光的偏振状态如何,此结构对长波长光子都表现出了良好的吸收能力。平均光吸收在光栅周期为250nm,宽度为100nm时会出现峰值。相比于相同厚度的平面非晶硅电池,复合背部结构可以把整体平均吸收效率提高20%。(4)使用纳米压印结合溅射、等离子体刻蚀技术直接在硅衬底上制备了高深宽比的金光栅结构,使用傅立叶变换红外光谱仪测量了光谱响应。实验测量结果表明：p偏振光垂直于光栅矢量方向入射时,吸收谱线会出现吸收峰,吸收峰的位置受光栅宽度和周期的影响,光栅深度则影响吸收峰的最大值。此类光栅在表面等离子激元共振传感器以提高灵敏度,以及利用亚波长光栅调整共振反射波长等方面都有一定的应用。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-21
  1.1 引言  11
  1.2 光子晶体概述  11-15
    1.2.1 光子晶体的特征和应用  12-13
    1.2.2 光子晶体的异常色散  13-15
  1.3 表面等离子激元学  15-19
    1.3.1 表面等离子激元课题研究背景  15-17
    1.3.2 表面等离子激元的应用  17-19
  1.4 本文主要研究内容和结构  19-21
2 周期性微纳结构的数值计算和分析方法  21-40
  2.1 严格耦合波分析方法(RCWA)  21-34
    2.1.1 任意偏振波入射  23-28
    2.1.2 TE波入射  28-30
    2.1.3 TM波入射  30-33
    2.1.4 非对称光栅的严格耦合波分析  33-34
  2.2 色散时域有限差分方法  34-38
    2.2.1 (E,D,H,B)格式的色散FDTD  34-36
    2.2.2 空间和时间步长的选取  36-38
    2.2.3 吸收边界条件  38
  2.3 本章小结  38-40
3 光子晶体的异常色散及其光学互联  40-63
  3.1 研究光子晶体色散的理论和数值计算方法  40-45
  3.2 光子晶体自准直  45-46
  3.3 光子晶体定向发射  46-52
    3.3.1 光子晶体定向发射的研究背景与现状  46-49
    3.3.2 定向发射的物理机制探讨  49-51
    3.3.3 定向发射物理机制的修正解释  51-52
  3.4 光子晶体的多模干涉耦合  52-58
    3.4.1 多模波导干涉现象  52-55
    3.4.2 基于同向耦合效应设计可以任意弯曲的光子晶体分束器  55-58
  3.5 利用光子晶体的自准直、定向发射和模式耦合实现光学互联  58-61
  3.6 本章小结  61-63
4 金属表面等离子激元透镜的设计及数值计算研究  63-86
  4.1 金属表面等离子激元  63-70
    4.1.1 单一表面的金属表面等离子激元  63-66
    4.1.2 "三明治"结构的金属表面等离子激元现象  66-70
  4.2 表面等离子激元透镜的理论设计与计算  70-72
  4.3 金属狭缝阵列对光束的控制  72-73
  4.4 金属薄膜表面电介质介质激发表面等离子激元  73-75
  4.5 金属单缝小孔结合周期性光栅结构对光束的控制  75-81
    4.5.1 理论分析  75-78
    4.5.2 控制光束的几种方法  78-81
  4.6 金属双缝小孔结合周期性光栅结构对光束的控制  81-85
  4.7 本章小结  85-86
5 光子周期性材料在薄膜太阳能电池中应用研究  86-96
  5.1 新一代薄膜太阳能电池的研究  86-88
  5.2 光子晶体用于提高薄膜太阳能电池效率  88-89
    5.2.1 光子晶体作为角度选择器与频率选择器  88
    5.2.2 光子晶体作为背部反射器  88-89
    5.2.3 光子晶体作为吸收层  89
    5.2.4 光子晶体作为串联太阳能电池的中间层  89
  5.3 表面等离子激元用于增强薄膜太阳能电池光子吸收  89-91
  5.4 设计光子周期性结构提高薄膜太阳能电池光子捕获能力  91-95
  5.5 本章小结  95-96
6 使用纳米压印技术制备光学微纳结构  96-110
  6.1 纳米压印技术基本原理  96-97
  6.2 纳米压印技术分类  97-100
    6.2.1 纳米热压印  97-98
    6.2.2 微接触压印  98
    6.2.3 紫外光型纳米压印  98-99
    6.2.4 激光辅助直接压印  99
    6.2.5 光刻结合压印  99-100
    6.2.6 各种压印技术分类与比较  100
  6.3 纳米压印技术发展的关键  100-102
    6.3.1 纳米压印模板的制备  100
    6.3.2 压印光刻胶的选择  100
    6.3.3 压印温度的控制  100-101
    6.3.4 模板与基片平行度与压力的均匀性  101
    6.3.5 压模与脱模  101
    6.3.6 图形转移  101-102
  6.4 纳米压印制备的基本过程  102-104
    6.4.1 压印模板的制备  102
    6.4.2 光栅的制备  102-103
    6.4.3 残留层刻蚀  103-104
    6.4.4 实验结果表征  104
  6.5 特殊宽高比光栅结构的制备与光谱响应测量  104-109
    6.5.1 制备流程  104-107
    6.5.2 使用傅立叶变换红外光谱仪测量光栅的光谱  107-109
  6.6 本章小结  109-110
7 总结与展望  110-113
  7.1 本论文的研究内容与主要结论  110-111
  7.2 本文的主要创新点  111-112
  7.3 工作展望  112-113
致谢  113-114
参考文献  114-126
附录  126-127

新型纳米光子周期性结构设计及其光传输特性研究

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