表面等离子激元与F-P共振耦合平衡钙钛矿太阳能电池有源层内载流子产生速率

为提高有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）光吸收效率、平衡有源层中载流子产生速率,将周期性纳米光栅结构引入到PSCs器件结构中。分析了光栅周期、光栅高度和有源层厚度对表面等离子激元（SPPs）与法布里-珀罗（F-P）共振耦合模式的影响。通过改变光栅周期,实现了SPPs与F-P共振耦合波长范围与钙钛矿材料的弱吸收光谱区域相重合,同时光栅高度的增加可以增大耦合模式的光谱宽度。SPPs与F-P共振耦合模式实现了金属电极与电子传输层（ETL）界面处的局域电场增强。结果表明:场增强效应扩展到有源区,有效提高了PSCs有源层远入射光侧在570~800 nm波长范围内的光吸收,进而提高了有源层远入射光区域的载流子产生速率。当光栅周期为250 nm、光栅高度为50 nm、源层厚度为300 nm时,PSCs在太阳光弱吸收光谱区域内的本征吸收提高了~12%,有源层远入射光侧载流子产生速率提高了~41%。     

基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.     

基于微腔-抗反射谐振杂化模式的吸收增强型有机太阳能电池的理论研究

有机太阳能电池中的微腔模式可以在谐振波长附近增强光与物质的相互作用,提高有源层的光吸收,但是其内禀的窄带宽特性限制了器件的宽频谱吸收性能.本文提出一种模式杂化机制,通过在器件外部引入盖层,激发盖层内支持的抗反射谐振模式,使其与器件内在的微腔模式发生耦合作用,形成两个新的杂化模式.杂化模式可以拓宽模式谐振带宽,有利于增强太阳能电池的宽频谱光吸收.理论计算表明,通过设计杂化模式的谐振位置,基于模式杂化机制的平板器件的最优化总吸收率相比传统的微腔器件的最优化性能提高了37%,并同样优越于广泛研究的基于表面等离激元的光栅机制,这证明提出的模式杂化机制是一种简单高效的光束缚机制.     

提高OLED光导出效率的异形金属光栅的设计与优化

提出一种用于有机电致发光器件(OLED)的双面对称矩形金属光栅电极,采用时域有限差分方法(FDTD)模拟研究了OLED中表面等离子体激元的激发和耦合传输的物理规律和物理机制,详细计算和分析了该光栅结构的周期、槽宽、光栅高度、槽底厚度、入射光的入射角与电极透射效率的关系,并由此优化了结构的几何参数,使金属电极的光导出效率相对于通常的金属银层电极增强了1.77倍,为基于表面等离子体激元的高效光导出器件的优化设计提供了理论依据。     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

一种新的基于频域有限差分方法的小周期有机太阳能电池的光电特性

由MoO₃/Ag/MoO₃ （MAM）组成的多层膜结构非常有希望替代ITO作为有机太阳能电池中的透明阳极.然而,基于MAM结构的有机太阳能电池光吸收能力较弱.为此,引入了一种小周期短节距金属光栅,利用表面等离子激元增强活性层的光吸收.借助于频域有限差分方法求解麦克斯韦方程和半导体方程,探讨了有机太阳能电池结构的光学和电学性质.分析结果表明：与平面结构相比,活性层中的光吸收大大提高;同时,当凹槽宽度为4 nm,能量转换效率提高了49%.相关结果有助于更好地开发和利用无ITO层的有机太阳能电池.     

光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强

提出了一种增强石墨烯光吸收率的布拉格光栅/石墨烯/金属薄膜光学结构。运用传输矩阵和时域有限差分法研究了其光传输特性,发现布拉格光栅与金属薄膜之间形成的塔姆等离激元局域场可有效增强光与石墨烯的相互作用,单层石墨烯的近红外光吸收率约增大了36倍。探讨了布拉格光栅的周期、石墨烯位置、入射角度、布拉格光栅层厚度及石墨烯化学势与石墨烯光吸收的关系。研究结果表明,上述物理参数的变化可有效调控石墨烯的光吸收波长及效率。研究结果为高性能石墨烯探测器等新型光电子器件的实现提供了新的途径。     

PS/Ag球壳阵列中高Q值等离激元腔模式的激发效率研究

从理论上系统地研究了聚苯乙烯(PS)/Ag球壳阵列中银球壳的形状(球形和椭球形)和完整度(侧壁有无开口)对多阶窄线宽等离激元腔模式激发效率的影响。理论上发现，在完整的球形银壳层阵列中，基于电的等离激元腔模式(TM₂和TM₃)能够被高效激发，而基于磁的等离激元腔模式(TE₁)激发效率则非常低。通过单独地将银球壳改变为椭球形状或单独在银球壳侧壁赤道上对称构建6个小开口均能有效增大TE₁模式的激发效率。尤其是，存在一个最佳的开口(20°)可使得TE₁模式的激发效率达到最大。理论上进一步发现，TM₂、TE₁和TM₃等离激元腔模式在非完整(侧壁开口约为20°)的椭球形银壳层阵列结构中均能够同时被高效激发。在实验上，利用自支撑技术成功地制备了侧壁带有开口(约为20°)的椭球形银壳层阵列结构，实验测试的透射光谱与理论光谱非常吻合，很好地证实了理论预测结果的正确性。     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

金属-介质光栅结构表面等离子体耦合效率的模拟研究

表面等离子体可以将光子局域在金属表面附近, 并形成很强的近场能量密度, 可以大大提高金属表面附近分子的发光效率和光电转换吸收材料的利用率, 从而提高发光器件和光电转换器件的效率. 本文研究了在一维周期性金属-介质混合结构的光栅中表面等离子体激元的耦合条件, 给出了耦合效率随着结构和填充因子的变化, 并证明了在光栅的填充因子较高以至光栅的金属间隔较小时, 光子耦合成为表面等离子体的效率较高, 可以达到94%以上. 关键词： 表面等离子体激元 填充因子 光栅 吸收光谱     

Effective absorption enhancement in small molecule organic solar cells using trapezoid gratings

We demonstrate that the optical absorption is enhanced in small molecule organic solar cells by using a trapezoid grating structure. The enhanced absorption is mainly attributed to both waveguide modes and surface plasmon modes, which is simulated by using finite-difference time-domain method. The simulated results show that the surface plasmon along the semitransparent metallic Ag anode is excited by introducing the periodical trapezoid gratings, which induce the increase of high intensity field in the donor layer. Meanwhile, the waveguide modes result in a high intensity field in acceptor layer. The increase of field improves the absorption of organic solar cells significantly, which is demonstrated by simulating the electrical properties. The simulated results also show that the short-circuit current is increased by 31% in an optimized device, which is supported by the experimental measurement. Experimental result shows that the power conversion efficiency of the grating sample is increased by 7.7%.     

Hybrid waveguide-surface plasmon polariton modes in a guided-mode resonance grating

We analyze the coupling between surface plasmon polaritons in a metal grating and the guided modes of a dielectric waveguide. Our model structure is a gold wire grating on a slab waveguide made of silicon nitride on silica wafer. The excitation of guided-mode resonances, surface plasmon polariton modes and hybrid waveguide-plasmon modes are observed in numerical simulations. Our experiments verify the existence of the predicted modes. These hybrid modes add significant degrees of freedom in designing structures for plasmonic applications.     

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径. 关键词： 表面等离子体 锗探测器 时域有限差分仿真     

Surface plasmon polariton contributions to strokes emission from molecular monolayers on periodic Ag surfaces

Surface enhanced Raman scattering from molecular monolayers adsorbed on a holographic grating and covered by Ag has been studied. The coupling of surface plasmon polaritons to light through the grating produces emission similar to the continuum observed in other surface Raman experiments. The angular dependence of the surface Raman scattering shows that enhanced Raman cross-sections can arise from scattering of surface plasmon polaritons into light by the localized molecular vibrations.     

Photorefractive control of surface plasmon polaritons in a hybrid liquid crystal cell

We present a photorefractive hybrid liquid crystal system that allows strong photorefractive effects on surface plasmon polaritons. We demonstrate its capability to couple energy between two 1.03 eV surface plasmon polariton modes with an efficiency of 25.3±2.3%. We present the energy and grating pitch dependence of the diffraction and a model that can qualitatively explain them.     

Outcoupling surface plasmons into propagation modes using a subwavelength dielectric grating for device applications

Coupling of surface plasmon polaritons to radiation modes by use of a one-dimensional subwavelength dielectric grating on a thin metal slab is discussed. The surface plasmon waves obtained in Kretschmann configuration are resonant outcoupled to radiation modes by using a subwavelength dielectric grating. A peak outcoupling efficiency is predicted to be 74.57% with rigorous coupled-wave analysis. In addition, potential applications of these results in the design and improvement of various optoelectronic devices, such as polarizers, wavelength filters and biochemical sensors are discussed.     

Nonlinear resonance-enhanced excitation of surface plasmon polaritons

We theoretically investigate nonlinear resonance-enhanced excitation of surface plasmon polaritons in a metal coated by a one-dimensional photonic crystal. Tunneling modes above the air-light line can be directly excited in this structure. Then, with suitable parameters, photon energy and momentum conservation between the tunneling mode and the surface plasmon polaritons can be realized by means of nonlinear four-wave mixing. Compared with the nonlinear excitation of surface plasmon polaritons in a bulk metal [Phys. Rev. Lett. 103, 266802 (2009)], the conversion efficiency in our structure is noticeably enhanced.