近红外宽带全方向反射镜的设计

研究了一维光子晶体的全方向反射镜.用传输矩阵法分析了影响全反镜全方向反射带带宽和位置的因素.利用带隙展宽理论,构建异质结构光子晶体,设计得到了近红外宽带全反射镜.比较发现,Te/SiO2构成的一维异质结构全向带反射特性优于TiO2/SiO2构成的一维异质结构,该反射镜TE偏振波的全方向反射带分布在近红外波段1 001 ～ 2999 nm范围内,TM偏振波的全向反射带分布在1001 ～2323 nm波段范围内,获得的反射率高于98;,而薄膜层数只需要20层.     

基于平面波展开法的二维立方晶格光子晶体带隙研究

应用平面波展开法(PMW)计算了圆形立方品格、正方形立方晶格及正六边形立方晶格三种不同结构的二维空气柱光子晶体带隙结构.结果表明,空气柱光子晶体存在对应TE、TM模的完全禁带,并且圆形空气柱光子晶体存在完全带隙.比较而言,圆形空气柱立方晶格的TE模禁带与完全禁带最宽,最宽禁带宽度分别为0.137(ωa/2πc)与0.018(ωa/2 πc),正方形空气立方晶格的TM模禁带最宽,最宽禁带宽度为0.119(ωa/2πc).     

含左手材料的——维“啁啾”光子晶体的偏振特性

把“啁啾”函数引入含左手材料的一维光子晶体中,且左手材料的介电常数和磁导率采用Lossy Dryde model,利用传输矩阵法研究了其透射谱.结果表明:在“啁啾”函数对材料几何厚度调制较小时,该光子晶体有完整的禁带,随着调制的加强,禁带宽度增加,但底部逐步抬高.在相同的调制下,磁、电等离子体频率的比值越大,禁带宽度越宽.入射角增加,TE模的禁带宽度不变而TM模的禁带宽度变窄,TE模和TM模均产生了角度隙,此角度隙的宽度随入射角增加而变宽,且TM模的变化大于TE模的.周期数N变化时,角度隙基本不变.nR的变化对禁带和角度隙的位置没有影响,但nR越小,禁带底部越高且圆,角度隙中透射峰峰值越大.     

填充比对三角晶格等离子体光子晶体色散关系的影响

采用有限单元法,分别对TE模式、TM模式下三角晶格等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算,分析了等离子体填充比对能带位置和禁带宽度的影响.结果 表明:TM模式下等离子体光子晶体在M-F、X-M两个方向上存在不完全带隙,随填充比的增加,带隙位置向高频移动,禁带宽度增大直至达到一稳定值.TE模式下等离子体光子晶体不仅存在禁带结构,还在低频处形成了表面等离子体波的平带结构.随填充比的增大,TE模式等离子体光子晶体由X-M单一方向的不完全带隙形成了完全带隙,带隙宽度随填充比的增大而增大.本文提供了一种可调谐等离子体光子晶体的有效方法,有望应用于微波、THz波的可调性控制.     

多孔氧化铝/氧化锌组装体的光子带隙和发光性能

从光子晶体的角度研究了AAO/ZnO组装体的光子带隙和发光性能,并解释了该组装体中ZnO发光增强的原因.利用平面波法对AAO及AAO/ZnO组装体的带隙结构进行了研究,得到了该组装体在可见光范围内TE波和TM波的不同的禁带结构特征,讨论了晶格常数、填充比及填充介质的介电常数对带隙结构和禁戒波长的影响,找到了使AAO/ZnO组装体产生与ZnO的缺陷发光峰匹配的完全光子禁带的条件.     

双局域共振Helmholtz声子晶体带隙研究

设计了一种双局域共振原理的Helmholtz型声子晶体结构,该结构采用U字型嵌套设计,分为内外两个腔,摆脱了内腔空气对带隙上限的影响,使得低频带隙上限得以大大提高.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,将弹性杆-弹簧模型引入理论计算,使得简化模型计算精度得以提高.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙范围为86.9～445.9 Hz.结构低频带隙主要受晶格常数、壁厚、细管宽度和长度的影响.在保持其它参数不变的情况下,带隙上限随晶格常数、壁厚和细管长度的增加而降低,随细管宽度的增加而增加;带隙下限随晶格常数、细管长度的增加而降低,随细管宽度、壁厚的增大而增大.该研究为低频噪声控制提供了一定的理论支持,拓宽了声子晶体的设计思路.     

吸收对光子晶体偏振态的影响

引入复折射率并利用特征矩阵法,研究了光子晶体的吸收对TE波和TM波的禁带的影响.得出:对TE波其禁带的反射率随消光系数的增加而迅速降低,当消光系数增加为0.03时其反射率降低到0.5.对TM波其禁带的反射率在小角度范围(0～0.9 rad)内随消光系数的变化特征与TE波相同,但在大角度范围出现"广义布儒斯特角"现象."广义布儒斯特角"的位置不随消光系数变化,但"广义布儒斯特角"现象对应的入射角宽度随消光系数的增加而增大.     

溶胶-凝胶法制备Mg掺杂ZnO薄膜的微结构与光学性质

采用溶胶-凝胶技术在Si(111)和石英玻璃衬底上制备了Mg掺杂ZnO薄膜.用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计测试薄膜的微结构、表面形貌和光学性质.结果表明:所得Mg掺杂ZnO薄膜仍为六角纤锌矿型结构,呈c轴方向择优生长,随着退火温度升高,薄膜的晶格常数c由0.5288 nm减小到0.5278 nm,粗糙度从3.8 nm增大到6.5 nm,光学带隙由3.26 eV增大到3.31 eV.     

太赫兹波在光子晶体波导中的带隙特性研究

为了得到太赫兹波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性,研究了填充比、介电常数比、晶格常数三个主要因素对二维三角晶格完全禁带的影响.利用MATLAB软件分别优化计算得到填充比、介电常数比、晶格常数最大完全禁带,以及对应结构参数之间的关系.带隙随着填充比的变化而变化,而对于相同晶格结构,介电常数比越大,完全禁带宽度越大,晶格常数不同,禁带宽度也不同.光子晶体态密度的分布验证了存在光子带隙的范围.研究结果为太赫兹波器件的开发提供了理论依据.     

CdZnTe晶片的Raman光谱研究

利用Raman光谱技术研究了CdZnTe晶片表面处理方法、激光功率及波长变化对CdZnTe晶片的Raman谱线影响.研究表明:CdZnTe晶片分别经过机械抛光、Br-MeOH溶液处理以及Br-MeOH溶液+ KOH/甲醇溶液处理后,由于表面晶格完整性的改变, Raman光谱出现了明显变化.采用514.5 nm、632.8 nm及785 nm激光激发CdZnTe晶片时,晶片的Raman波谱也有所不同,其中用785 nm激光激发样品,荧光发光峰位于100～200 cm~(-1)范围,掩盖了晶片Raman特征峰.在对CdZnTe晶片做Raman测试时,尽可能选择较低功率.     

具有完全带隙的异质结构声子晶体的声波导特性

利用正方形和三角形结构声子晶体具有范围较大完全带隙的特性,设计了新型正方形晶格和三角形晶格构成的声子晶体异质结.采用平面波展开和超原胞相结合的方法研究了该异质结的能带结构特性.给出异质结的结构和相应的能带图,分析了异质结界面传导模,研究两侧结构作横向拉开和侧向滑移时对传导模的影响,讨论这些结构的实际可行性.计算结果表明,没有任何晶格移动,该结构异质结在完全带隙中就有传导模存在,界面两侧发生相对移动时,带隙内传导模的数量及位置都发生变化.     

非晶硅太阳电池用Ag背反镜的吸收损耗

利用频域有限差分法,分析了两种典型非晶硅电池结构的Ag背反镜的吸收损耗.研究表明:平板型非晶硅电池Ag背反镜的损耗主要是由银材料的本征吸收和非晶硅有源层导模共振效应引起,而表面等离子体共振吸收使TM模的吸收峰峰值大于TE模的吸收峰峰值;织构型的非晶硅电池内部光场分布复杂,可在光垂直入射情况下,使TE模和TM模均在有源层中出现较强的导模共振效应,且TM模还可在Ag背反镜中激励起等离子体共振效应,从而使织构型非晶硅电池Ag背反镜的吸收谱表现为多峰值特性,且其吸收峰的峰值大于平板型非晶硅电池的吸收峰峰值.     

双迷宫型通道Helmholtz周期结构的低频带隙机理及隔声特性

为了解决飞机舱室中的低频噪声问题,本文设计了一种双迷宫型通道的Helmholtz周期结构。迷宫型开口通道的设计能够大大增加Helmholtz腔开口通道的长度,有效降低低频带隙下限,双通道的设计能够增加声子晶体局域共振的区域,可以增加低频带隙数目。本文采用有限元法(FEM)得到了该结构在0~500 Hz频率范围内的能带结构及隔声特性,经过深入研究发现,该Helmholtz 周期结构在0~500 Hz范围内存在多个低频带隙,且在低频范围内表现出较好的隔声特性。为了揭示其带隙产生机理,本文通过声-电类比方法建立了该结构的等效电路模型,并通过有限元法和等效电路模型,对低频带隙影响因素进行了详细分析。结果表明,增加开口通道的长度能够降低带隙起始频率,较小的晶格常数有利于拓宽带隙宽度。本文的研究进一步探索了声子晶体结构设计对带隙的影响,为解决飞机舱室的低频降噪问题提供了新方法。     

基于边界元法的非完好界面三角晶格声子晶体带隙计算

采用边界元法研究了具有非完好界面条件的二维三角晶格声子晶体的带隙特性.结合Bloch周期原理,针对二组元三角晶格固-固体系声子晶体推导了含非完好界面条件的边界元特征值方程.基于该方程,计算了含有不同截面散射体(圆形截面、椭圆截面、正方截面)的能带结构,讨论了晶格对称性对能带结构的影响;并且分析了圆形截面散射体填充比的变化对带隙位置及宽度的影响.通过与其它计算方法的结果比较,说明边界元法可以有效准确地计算具有不同界面条件和不同散射体形状的声子晶体的能带结构.而且,非完好界面条件的声子晶体可以在低频打开完全带隙,尤其圆形截面最为明显.     

工艺参数偏差对纳米压印a-Si太阳电池光学性质的影响

先基于实际工艺条件和频域有限差分法,优化了纳米压印三角带型a-Si太阳电池织构结构,然后重点探讨了有源层和铝背反镜厚度偏差、SiNx增透膜折射率和厚度偏差及织构结构几何尺寸偏差对a-Si太阳电池光电流密度的影响.研究表明:TM模受有源层和铝背反镜厚度偏差、SiNx增透膜折射率和厚度偏差及织构结构几何尺寸偏差的影响较小,平均光电流密度的变化主要受TE模光电流随工艺偏差的影响;增透膜和压印模板制备过程中,有效控制工艺参数的偏离是获得最优a-Si太阳电池设计性能的关键.     

AlxGa1-xN氮化物结构和热力学性质的第一性原理研究

为了掌握Ⅲ族氮化物微观结构对热力学性能的影响规律,进而为超高功率器件的设计提供数据支持,本文借助第一性原理计算软件CASTEP,对半导体Al_xGa_1-xN不同合金结构及其热性能进行了系统研究。结构优化和数据分析后发现,Al_xGa_1-xN的晶格常数、平均键长和晶格热容值随Al组分值x(原子数分数)增大而线性减小。热力学性质计算结果表明,在GaN中引入Al组分会在频率带隙中引入杂质模,随着Al组分浓度的增加杂质模变宽并进入低频段,在低频段顶部频率随Al组分增大而线性升高,在12.5%以上低频段顶部频率均大于 (1/2)A₁(LO)。温度从300 K到700 K变化时, 合金热容随温度变化关系结果证明,在确定温度时,Al_xGa_1-xN合金热容随Al组分增大而线性减小。本文的研究为以Al_xGa_1-xN为代表的Ⅲ族氮化物半导体高功率器件设计提供了一定的设计参考。     

AgAlSe2晶体高压相变的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似法,研究了黄铜矿结构AgAlSe₂在高压下的晶体结构、晶格动力学稳定性与电子结构.结果显示:在0 GPa时AgAlSe₂的晶格参数与实验值吻合,在13.9 GPa附近,质量密度、Se-Ag键长、Se-Al键长、晶格常数a突然增大,相对晶胞体积V/V₀、晶格常数c突然减小,声子谱出现虚频,结构变得不稳定,带隙发生突变,数值呈减小趋势.表明AgAlSe₂晶体在13.9 GPa附近发生结构相变.该研究为AgAlSe₂晶体在理论上所能承受的高压提供信息支撑.     

ZnGeP2晶体中的晶格振动模拟与光谱分析

ZnGeP₂晶体在9~10 μm的光学吸收限制了其在中远红外波段的应用,该波段吸收与其晶格振动有关。本文通过理论计算与实验相结合的方法,解释了晶体红外截止边和9 μm附近吸收峰的物理机制。通过布里奇曼法生长出ZnGeP₂单晶,并测试生长得到的ZnGeP₂晶体的变温拉曼光谱和变压拉曼光谱,基于第一性原理方法计算了ZnGeP₂布里渊区中心的振动频率,并计算了不同压力下晶体的晶格常数和拉曼位移峰的位置。实验结果与理论计算结果表明:温度升高使得其振动模发生红移,且振动模强度减弱,半峰全宽变大,而压力增大则会引起ZnGeP₂晶体振动模发生蓝移,振动模强度减弱,半峰全宽变大。     

远红外全角度光子晶体反射镜的鲁棒性分析

鉴于在制备过程中存在介质层的随机扰动,计算并分析了远红外全角度光子晶体反射镜厚度和折射率的鲁棒性。结果表明,不论是厚度还是折射率的随机扰动,当随机度小于0.05时,全反射镜带隙变化不大;当随机度大于0.1时,随着厚度和折射率的随机扰动逐渐增大,反射镜的全向带隙和带隙率都逐渐减小。当随机度达到0.5时,光子晶体的全向带隙完全消失。本文的研究对远红外全角度光子晶体反射镜的设计和制备提供了有价值的参考。     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。