表面等离子体激元增强薄膜太阳电池研究进展

表面等离子体激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性,对基于表面等离子体激元共振的纳米结构体系的研究已形成了一门新兴的学科,即表面等离子体光子学。可以利用金属纳米颗粒光散射、近场增强以及高度局域的表面等离子体极化激元增强薄膜太阳电池光吸收,提高电池转换效率。当前,表面等离子体光子学应用于太阳电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的一个热点。文章主要介绍表面等离子体激元增强薄膜太阳电池光吸收的原理及其在光伏器件中应用的最新研究进展。     

一种表面等离子体激元定向耦合器的传输特性

利用三维全矢量时域有限差分法(FDTD)数值模拟了一种波导间隔金属条高度小于金属层厚度的表面等离子体激元(SPP)定向耦合器,并分析了其在基模传输时的模式场分布和能流密度分布,讨论了耦合长度、最大转移功率与间隔金属条高度的变化关系。结果表明,波导内沿纵向的能流密度在靠近间隔金属条部分的强度更大,有助于提高波导间耦合效率,并且当减小间隔金属条的高度时可以有效缩短定向耦合器耦合长度。这种亚波长定向耦合器结构可以应用在基于表面等离子体激元的集成光路中。     

基于表面等离子体激元的硅基激光器

研究了一种超薄硅单层与掺铒硅单层/金属薄膜/硅衬底(Si:SiEr/Metal/Si,SEMS)型硅基激光器结构.利用表面等离子体激元局域增强效应提升了硅基增益介质材料在1.54μm波长点的光学增益特性.通过优化金属材料厚度、铒离子极化方向和铒离子位置等参量,减小表面等离子体激元所带来的光学损耗.结果表明,当金属材料厚度小于20 nm时,硅基激光器的净增益系数范围为1～36 cm-1.     

纳米光栅的表面等离激元增强型GaN-LED

为提高传统GaN基LED的发光效率,提出了一种基于纳米光栅结构的透射式表面等离激元增强型GaN-LED。该增强型LED包含覆盖在p型GaN光栅槽内的低折射率SiO2膜、Ag膜以及槽表面的ITO薄膜。详细阐述了该结构增强LED发光特性的基本原理,利用基于有限元法的模拟软件COMSOLTM-RF Module对该结构进行参数优化和数值模拟分析。研究结果表明,在周期p=280 nm,占空比f=0.5,SiO2层的厚度dSiO2=25 nm,银层的厚度dAg=15 nm,ITO层的厚度dITO=30 nm时,该结构在可见光范围内具有较高的传输效率,其零阶透射率高达0.716,零阶反射率为0.224,-1阶透射率峰值0.183,且Purcell因子增强了近16.4倍。该结构可以同时提高GaN基LED的内量子效率、光萃取效率和SPP萃取效率。     

金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

介绍了应用金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池效率的最新研究进展。表面等离子体激元的激发取决于纳米结构的材料、尺寸、形状、密度、和周围的电介质环境等参数。调控这些参数, 可以有效利用金属纳米结构增加有机太阳能电池活性层的光吸收, 同时金属纳米结构表面增强的电场可促进光激子解离为载流子。因此, 应用金属纳米结构的表面等离子体激元将是进一步增加有机太阳能电池的光电转换效率的重要方案。     

无掩模表面等离子激元干涉光刻

采用表面等离子激元近场增强技术可改善纳米干涉光刻成像质量,有效实现微纳米结构快速、高效、低成本制作,在传统微细加工技术较难发挥作用的一些纳米光子器件加工领域有很好应用前景.     

基于二维表面等离子体激元的微结构

在介电常数符号相反的两个材料的界面处可激发出表面等离子体激元 (Surface plasmon)。文中利用普通扫描电子显微镜中出现的电子束诱导沉积纳米碳基本现象 ,提出和发展了一种无需光刻胶和额外掩模的亚微米图形化技术。采用这一新方法 ,成功地在镀金的半导体 In Ga Al P量子阱表面制备了各种亚微米点阵结构 ,并得到基于二维表面等离子体激元的可见波段半导体发光的增强作用     

非周期三角光栅表面等离子体激元透镜研究

提出了一种新的表面等离子体激元透镜结构,该结构通过在两个亚波长小孔的外表面放置非周期的三角形电介质光栅实现对入射光束的有效汇聚。利用时域有限差分法(FDTD)计算了该结构中的稳态电磁场分布,讨论了光栅数目对成像特性的影响,计算发现,聚焦光斑可能出现一个、二个甚至三个;探讨了光栅折射率对成像的影响,发现在一定介质范围内,随着折射率的增大,焦距也随之增大;除此之外,亚波长小孔的数目、光栅中心距离小孔的位置及中间无三角形等因素都在不同程度上对透镜的成像特性有一定影响。     

光诱导金纳米颗粒光栅及表面等离子激元的激发

光化学还原方法可以合成金属纳米颗粒并同时实现纳米颗粒形貌和尺寸的控制,是贵金属纳米颗粒合成领域的研究热点之一。提出了一种制备大面积表面金属光栅的方法,利用光化学还原方法合成了金纳米颗粒,并通过双光束干涉的方法在玻璃基底上沉积生成金纳米颗粒光栅,制备出具有一定耦合效率的表面等离子激元(SPP)耦合光栅。金纳米颗粒光栅结构的周期和表面起伏可以通过诱导光参数的改变得以调节。经400℃下半个小时的退火处理后,光栅结构变得更加光滑,其表面等离子激元激发角更接近理论值。     

基于SSPPs的低剖面宽带八木天线阵列设计

提出了一种基于新型人工表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons, SSPPs)馈电带有引向器的低剖面宽带八木天线阵列。天线阵列包括两部分:基于人工表面等离子体激元波导的四路宽带功分器和八木天线阵列。人工表面等离子体激元具有高的场局限性,将信号束缚在人工表面等离子体激元的凹槽结构中保证了信号的高效传输,减少了传输损耗。八木天线通过进一步加载引向器结构能够实现端射辐射特性。测试结果表明:天线阵列的回波损耗在4.5 ~6.05 GHz 频率范围内小于-10 dB。天线阵列实际增益在4.5 ~ 6.05 GHz 范围内最高可达11.1 dBi。     

Manipulable and Hybridized,Ultralow‐Threshold Lasing in a Plasmonic Laser Using Elliptical InGaN/GaN Nanorods

Manipulating stimulated‐emission light in nanophotonic devices on scales smaller than their emission wavelengths to meet the requirements for optoelectronic integrations is a challenging but important step. Surface plasmon polaritons (SPPs) are one of the most promising candidates for sub‐wavelength optical confinement. In this study, based on the principle of surface plasmon amplification by the stimulated emission of radiation (SPASER), III‐Nitride‐based plasmonic nanolaser with hybrid metal–oxide–semiconductor (MOS) structures is designed. Using geometrically elliptical nanostructures fabricated by nanoimprint lithography, elliptical nanolasers able to demonstrate single‐mode and multimode lasing with an optical pumping power density as low as 0.3 kW cm^?2 at room temperature and a quality Q factor of up to 123 at a wavelength of ≈490 nm are achieved. The ultralow lasing threshold is attributed to the SPP‐coupling‐induced strong electric‐field‐confinement in the elliptical MOS structures. In accordance with the theoretical and experimental results, the size and shape of the nanorod are the keys for manipulating hybridization of the plasmonic and photonic lasing modes in the SPASER. This finding provides innovative insight that will contribute to realizing a new generation of optoelectronic and information devices.     

Dynamics of Strong Coupling between J‐Aggregates and Surface Plasmon Polaritons in Subwavelength Hole Arrays

A prototypical hybrid system formed by strong coupled gold hole arrays and J‐aggregate molecules is investigated by using both steady‐state spectroscopic method and ultrafast pump‐probe approach. In particular, the plasmonic response of the device has been tuned by modifying its periodicity thus to achieve the strongest possible coupling regime. It is found that in the transient absorption spectra, under upper band excitation, the bleaching signal from uncoupled J‐aggregate molecules completely disappears. Instead, two distinctive period dependent bleaching bands are formed, clearly fingerprint of the hybrid exciton‐plasmon state. The dynamics of these bands is also directly analyzed. A remarkable long lifetime is found especially for the upper band, corresponding to the presence of a trap state in its transient absorption spectra under resonance excitation. Such unique feature should provide a new approach to control quantum‐mechanical states under coherent coupling.     

Heavily doped silicon:A potential replacement of conventional plasmonic metals

The plasmonic property of heavily doped p-type silicon is studied here.Although most of the plasmonic devices use metal-insulator-metal(MIM)waveguide in order to support the propagation of surface plasmon polaritons(SPPs),metals that possess a number of challenges in loss management,polarization response,nanofabrication etc.On the other hand,heavily doped p-type silicon shows similar plasmonic properties like metals and also enables us to overcome the challenges pos-sessed by metals.For numerical simulation,heavily doped p-silicon is mathematically modeled and the theoretically obtained re-lative permittivity is compared with the experimental value.A waveguide is formed with the p-silicon-air interface instead of the metal-air interface.Formation and propagation of SPPs similar to MIM waveguides are observed.     

基于并行FDTD方法分析表面等离子波导的特性

设计了一种双L形表面等离子体矩形环谐振器波导,采用并行时域有限差分方法,对这种波导的传输特性随几何结构参数的依赖关系进行了分析.计算结果表明通过改变输入/输出光波导的结构参数,可以调节该波导的消光比和频率选择特性.该波导结构能够有效地抑制后向辐射干扰并且大幅度地提高其场消光比,这使得此类谐振器结构更具有功能性.     

基于表面等离激元的超薄隐身套的实验验证

针对超材料透波隐身套厚度大的问题,提出了基于表面等离激元的超薄隐身套,通过超材料套层将入射电磁波耦合为表面等离激元波并传输至障碍物后方,实现超薄透波隐身。设计了基于开口谐振环的表面等离激元耦合层,将其包覆在金属圆柱表面,制作了基于表面等离激元的超薄隐身套原理样件并进行了对比测试。实验结果表明,该隐身套在其厚度仅为工作波长的1/30 时具有良好的绕行透波性能。     

形状双折射金属表面等离激元的特征长度

针对p偏振,研究形状双折射金属和常规介电材料界面的表面等离激元(SPP)。基于形状双折射金属介电常数的双轴各向异性和SPP的色散关系,分别在X方向和Y方向讨论SPP波长、传播距离以及在两种介质中的穿透深度等特征长度的变化规律。另外,分别讨论形状双折射金属的3个结构参数对SPP特征长度的影响,发现X方向的结构周期变化只影响Y方向的SPP特征长度,Y方向的结构周期变化只影响X方向的SPP特征长度,纳米孔半径的变化同时影响X方向和Y方向的SPP特征长度。     

双缝波导结构表面等离子体可见光分束器设计

理论设计了一种金属-介质-金属(MIM)双缝结构的表面等离子体可见光分光器。利用表面等离子体效应及经典光学干涉原理,改变双缝波导结构中的填充介质、结构厚度、狭缝宽度、双缝宽度等参数,可使波长不同的两束可见光通过双缝亚波长结构后实现表面等离子分束的效果。设计过程中采用时域有限差分法(FDTD)进行数值模拟,分别模拟计算了双缝宽度相同填充介质不同和双缝填充介质相同宽度不同两种情况下的光场分布,且都得到了较好的分束效果,最大分束比可达12。该设计结构简单,可以通过电子束刻蚀系统等实验设备加工,具有较好的应用前景。