金属纳米颗粒对有机太阳能电池光吸收效率影响的研究

借助时域有限差分法,对几种常见金属纳米颗粒影响有机太阳能电池光吸收效率的因素及其内部物理机制进行了研究.首先对金属纳米颗粒激发局域表面等离子共振的场分布特点进行分析,对比其在电池不同功能层中对光吸收率的影响;其次基于米氏理论与电共振效应,得出金属纳米颗粒的结构参量对局域表面等离子共振位置及强度的影响规律,并以此进行优化设计.结果表明,具有高对称性形貌的金属纳米颗粒以小尺寸密堆积结构引入电池活性层,能够促进电池光吸收增强三倍以上.     

利用金属纳米颗粒改善有机光电器件性能

有机发光和有机光伏器件为代表的有机光电器件在显示、照明、能源等领域有着广阔的应用前景。有机发光器件具有发光效率高、发光颜色丰富、响应速度快等优点,而有机光伏器件具有质轻、成本低、可实现柔性器件等优点。金属纳米颗粒的表面等离子体共振耦合效应可以提高有机发光器件的效率和有机光伏器件的光电转换效率,因而得到了研究人员的广泛关注。本文综述了金属纳米颗粒改善有机发光/光伏器件性能方面的研究进展,并对其今后的应用趋势进行了讨论。     

金属纳米颗粒LSPR光纤生物传感DDA方法研究

研究了金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振(LSPR)行为,并讨论了其在光纤生物传感领域的应用.采用离散偶极近似(DDA)的方法,从理论上分析了金属纳米颗粒的尺寸、形状对其传感灵敏度的影响.计算结果显示,金属纳米颗粒的等离子共振吸收峰同时受到颗粒尺寸和形状的影响,但形状对其传感灵敏度的影响最为明显,计算结果与实验数据能较好地吻合.     

金属纳米颗粒的导入对顶发射OLED光取出影响的FDTD模拟与研究

由于有机发光二极管（OLED）中存在金属阴极和有机层界面,故部分光子会转化为表面等离子激元沿金属表面传播耗散掉。同时,金属阴极自身也会吸收部分光能量。这两种情况均会导致器件出光率降低。分析了在结构为Ag （100 nm）/MoO₃（5 nm）/NPB （35 nm）/EML （20 nm）/Alq₃（40 nm）/Al （20 nm）/MoO₃（50 nm）的器件内部引入银纳米颗粒（Ag NPs）或者金纳米颗粒（Au NPs）后器件出光效率的变化。同时,改变金属纳米颗粒的位置以观察其对出光效率的影响。利用有限差分时域法对无金属纳米颗粒的器件和金属纳米颗粒位于器件不同位置时的出光效率进行了模拟计算。结果显示,Ag NPs或者Au NPs都可以提高器件出光效率且Ag NPs优于Au NPs。在468 nm波长下,Ag NPs位于Al阴极表面、电子传输层（ETL）中间和Ag表面时器件的透光率分别是51.1%,50.5%和45.5%,而未掺杂Ag NPs的参考器件的透光率仅为43.3%。     

Au@碳球复合结构中Au颗粒位置调控光吸收

采用时域有限差分（FDTD）法研究Au纳米颗粒@碳球（AuNPs@CS）复合结构的光吸收控制。发现Au纳米颗粒@碳球复合结构中Au颗粒的位置可以控制复合结构光吸收。模型计算中选取两粒Au纳米颗粒以最佳深度（0 nm）嵌入碳球表面。当两粒Au颗粒球心与碳球球心夹角为22.5°和45°时,复合结构光吸收较单一碳球光吸收明显增强;当夹角为315°、270°、180°、90°时,光吸收增量逐渐减小;当夹角为337.5°时,光吸收量低于单一碳球。这一结果主要归因于Au纳米颗粒位置变化可引起表面等离子体光强度和光散射方向的变化。改变碳球表面Au纳米颗粒的数量和位置,可以进一步调节AuNPs@CS复合结构的光吸收。     

纳米银增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构 的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度, 从而影响了器件对入射光的吸收. 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收. 本文基于时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法模拟得到了聚合物功能层内包含了直径为50 nm纳米银球并且球间距为50 nm的聚合物太阳能 电池器件在波长分别为400 nm和500 nm照射时的二维光电场分布以及入射角分别为15°, 45°, 60°时包覆纳米银聚合物功能层横截面内的光电场强度分布; 计算得到了银纳米颗粒尺寸分别为10 nm, 20 nm和50 nm时以及分布在空穴传输层PEDOT:PSS的纳米银器件的光吸收; 并计算了斜入射时包覆纳米银的聚合物功能层光吸收. 理论分析表明: 聚合物功能层加入纳米银球后, 因为纳米银球的表面等离子体效应使入射光在功能层内散射增强而使器件内的光电场重新分布; 直径较大的纳米银颗粒能产生大角度的光散射, 更有利于聚合物功能层对光的吸收. 这里, 基于有机银盐还原法制备了纳米银颗粒并制备了银等离子体增强的聚合物太阳能电池, 其结构为: glass/ITO (～100 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/P3HT:PCBM (～100 nm)(nano-Ag)/LiF (1 nm)/Al (120 nm). 该器件与平板器件的性能对比实验证实: 通过在聚合物功能层内上引入纳米银颗粒可以有 效增加器件光吸收并改善器件电学性能, 器件外量子效率在520 nm处最大增加了17.9%. 关键词： 纳米银 表面等离子体共振 时域有限差分 聚合物太阳能电池     

太赫兹波段纳米颗粒表面增强拉曼散射的研究

研究了太赫兹波段纳米颗粒的表面增强拉曼散射,证明在太赫兹波段同样存在拉曼增强现象。通过研究表面增强拉曼散射的电磁增强原理,提出利用时域有限差分法仿真模拟纳米颗粒在太赫兹波照射下的表面增强拉曼散射,分析了太赫兹波的增强效果。仿真实验表明,时域有限差分法可以有效精确仿真太赫兹波段纳米颗粒的散射效果,结果使表面增强拉曼散射从可见光和红外波段扩展到太赫兹波段,为太赫兹波与表面增强拉曼散射的结合应用提供了依据。     

有序金纳米颗粒阵列的制备及光吸收特性研究

采用纳米球刻蚀技术中漂移法在玻璃基片上制备较大 面积不同直径的聚苯乙烯小球掩模板, 采用磁控溅射技术在掩模板上沉积不同厚度的金薄膜, 去除聚苯乙烯小球后, 通过扫描电子显微镜观察到周期排列的三角状金纳米颗粒点阵. 通过紫外-可见分光光度计测试所制备样品的光吸收特性, 发现表面等离子体共振峰随粒径增大发生红移, 随金纳米颗粒高度增加发生蓝移. 基于Mie理论, 利用Matlab软件编程对不同粒径的金阵列光吸收特性进行理论模拟, 并与实验结果进行对比. 关键词： 纳米球刻蚀 金纳米颗粒阵列 表面等离子体共振     

ITO纳米棒结构红外波段消光特性模拟与分析

铟锡氧化物（ITO）作为一种高掺杂的半导体材料,其材料介电常数零点波长位于近红外波段,且其在近红外波段的吸收损耗较小,因此ITO可以成为近红外波段理想的局域表面等离激元共振效应（LSPR）材料。采用时域有限差分法模拟长方体状ITO纳米棒阵列的LSPR效应,通过调整ITO纳米棒的载流子浓度、尺寸、间距以及衬底折射率实现其红外波段LSPR共振峰的有效调节。这对于扩宽ITO纳米结构在红外波段LSPR效应的应用具有重要的研究意义。     

金光栅/金纳米颗粒SERS基底的设计、制备及其性能

表面等离子激元（SPP）和局域表面等离子共振（LSPR）耦合产生的电场增强显著高于单纯LSPR引起的电场增强。因此一种新型高效的表面增强拉曼散射（SERS）基底是寄希望于在一种复合基底中实现SPP-LSPR耦合获得的。基于SPP-LSPR耦合机理,提出一种针对633 nm激光使用的金光栅/金纳米颗粒SERS基底的设计思路以及光栅和纳米颗粒的具体结构参数。为了验证设计方法的正确性,利用电子束光刻法和化学合成法分别制备了具有相应几何尺寸特征的金光栅和金纳米颗粒,并将它们复合在一起得到了光栅/纳米颗粒SPP-LSPR耦合型复合SERS基底,这个基底相比仅有金纳米颗粒制备的LSPR型SERS基底,在检测R6G溶液时浓度可以降低2个数量级,增强因子是后者的72倍,实验结果和时域有限差分（FDTD）法理论拟合的结果基本一致。     

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。     

金银三层纳米管局域表面等离激元共振特性研究

相对于单一金属纳米材料,二金属复合纳米材料具有更大的潜在应用价值.基于时域有限差分方法,研究了SiO₂-Ag-Au和SiO₂-Au-Ag二金属三层纳米管的消光光谱,并对其局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性进行了分析.研究发现,内核尺寸变大将导致上述两种金属纳米管LSPR峰红移;内层金属及外层金属壳层厚度增大均会导致其LSPR峰蓝移.银壳厚度变化对纳米管LSPR的调制作用大于金壳厚度变化造成的影响.上述现象可以利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子变化的竞争机制进行分析.     

利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究

为提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率,将蛾眼微结构应用于OSCs上.通过理论模拟计算,得出在有机层厚度一定的情况下,带有蛾眼微结构的OSCs相比于普通平板结构的OSCs的光吸收效率有较大的提高.通过对微结构形貌、周期和高度的优化,使蛾眼结构OSCs的光吸收效率比普通平板OSCs提高了11.3％.器件光场分布的模拟计算表明,光吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和表面等离子体(SPP)增强吸收共同导致的结果.     

Resonant light absorption and plasmon tunability of lateral triangular Au nanoprisms array

Optical characteristics and electric field distribution of triangular Au nanoprism in a unit and units array under polarized light irradiation were systematically studied by numerical simulation with finite difference time domain method. It is found that the plasmonic properties of the triangular nanoprism are dominated by the electric polarization rather than the wave propagation. The triangular nanoprism presents similar optical response with a strong dipole band under different wave propagations if the electric polarization vectors are parallel to the triangular cross section. The lateral triangular Au nanoprisms array possesses a large tunability of the plasmonic properties contributed from the combined influence of inter-particle distance, particles size, polarization angle and even environmental medium. From the plasmon band shift versus the refractive index, ultra-high local surface plasmon resonance sensitivity (509.96 nm/RIU, figure of $\text{merit}=5.55$) is reached at $\sim 850\text{nm}$, making this array promising for biochemical sensing applications.     

金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振与面形状关系研究

采用三维时域有限差分法,数值研究了等高、等体积下不同形状金属纳米颗粒的局域表面等离子体的共振性质及其规律,得到了面形状因子对共振波长的影响关系。研究表明,沿偏振方向的形状变化对共振波长偏移有重要贡献,在空气中,确定金属纳米结构局域表面等离子体共振波长的形状参数L可采用偏振方向上的纵横比和面形状因子描述,L可以拟合为纵横比和面形状因子乘积的线性函数。得到了等高、等体积下不同形状金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振的电场能量和共振波长的关系,面形状因子越小,形状越尖锐,电场能量越高,共振波长红移。研究结果为进一步了解金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振性质提供有益的参考。     

表面等离子体-微腔激元对顶入射有机薄膜太阳能电池光吸收效率的增强

为了提高顶入射有机薄膜太阳能电池(TOSCs)的光吸收效率,我们将周期性矩形光栅结构引入到TOSCs中,分析了具有光栅结构的空气/Ag_1/有源层/Ag_2/空气(IMIMI)结构理想模型中复合表面等离子激元(SPPs)与微腔模式的耦合机制。通过调节光栅周期和有源层厚度,实现了复合SPPs、微腔模式以及有机材料本征吸收3个区域的重合。由于复合SPPs与微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等离子体-微腔激元,其局域场增强作用有效地提高了有源层的光吸收效率,提高了近19%。     

FDTD analysis of nonlinear Bragg grating based optical devices

In this paper, several nonlinear media with different instantaneous third-order nonlinearity responses are analysed. A Finite-Difference-Time-Domain method (FDTD), developed for nonlinear structures, is used to analyse the nonlinear waveguides and periodic nonlinear structures that exhibit attractive properties that make them suitable for novel devices with wavelength tuneable characteristics.     

海胆状金纳米粒子表面形貌对表面增强喇曼散射特性的影响

采用改进的一步还原法合成了多种海胆状金纳米粒子,并对它们的表面增强喇曼散射特性与其表面形貌的关系进行了实验研究.实验表明,合成的海胆状金纳米粒子的直径及表面的尖刺大小可以通过改变加入到氯金酸溶液中的硝酸银的量来调节.当加入到氯金酸溶液中的硝酸银为1μL时,合成的海胆状金纳米粒子的直径最小而尖刺最长.同时测量的紫外-可见-近红外吸收光谱表明,海胆状金纳米粒子的局域表面等离子体共振带会随着加入到氯金酸溶液中的硝酸银量的增加而变宽.此外,通过喇曼标记分子对巯基苯甲酸(4MBA)的喇曼光谱测量发现,较小直径和较长尖刺的海胆状金纳米粒子具有更强的表面增强喇曼散射活性.     

光子晶体表面结构的改变对成像的影响

负折射率材料因为其奇异的特性成为广泛研究的对象,尤其是光子晶体平板的完美成像.硅材料以其良好的物理性质成为当今集成光学领域中应用最广的材料之一.本文以硅介质柱在空气中周期性排列构成六角结构的光子晶体平板为例,运用平面波展开法进行光子晶体能带计算并运用时域有限差分法模拟改变光子晶体平板成像并讨论表面结构对成像的影响.光子晶体平板等效折射率为-1时,通过改变上下侧最外层介质柱的半径或是侧向移动最外层介质柱发现:当光子晶体平板表面结构发生改变时光子晶体平板仍能成像但像点强度发生变化.当光子晶体平板表面结构的改变在一定范围时,所成像的位置发生改变且位置变化符合光子晶体成像经典的Veselago关系;当光子晶体表面结构的变化超过该范围时,所成像与物的相位发生反相同时像点位置发生"巨变",此时Veselago关系已不成立.数值模拟表明:光子晶体平板表面结构的改变可以有效地改变该光子晶体平板所成像的强度、位置和相位.