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1、 金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究摘要随着半导体照明行业的不断深入发展，作为半导体照明产品中的核心组成部分LED芯片，其研究与生产技术有了飞速的发展，LED芯片的亮度和可靠性不断提高。在芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率一直是核心内容，因此，如何提高光提取效率显得至关重要。 本文就LED器件中光提取效率提高途径问题，着重介绍了一种新的光提取结构金属颗粒表面等离子体，通过在发光材料表面建立金属纳米颗粒结构，在出射光激发下金属表面将产生等离子体，这些等离子体可吸收介质材料发光光能而发生振荡，再通过其他的结构或手段将这部分能量重新转化成光能辐射出去，进而提高LED器件的光提取效率。本
2、文一方面介绍了LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论知识，另一方面利用仿真的手段着重研究了金属纳米颗粒的周期（占空比）、尺寸以及不同材料对金属纳米颗粒等离子激元提高LED出光效率的影响，同时也仿真了该结构下不同偏振方向的出射光对光提取的影响。关键词：LED；等离子体；吸收；光提取效率 ABSTRACTWith the development of semiconductor illuminance, as the core components of semiconductor illuminanceLED chips, its research and production technol
3、ogy has been rapid development as well as its brightness and reliability. In the production process of LED chips. the external quantum efficiency has been the core content and, therefore, the light extraction efficiency is crucial.This article prove a way to enhance the light extraction efficiency o
4、f device, by a new structureSurface Plasmon Polaritons of metal.In order to enhance the light extraction efficiency , then, on the metal particle surface ,the output beam excitate the plasma, these plasma can absorb the luminous light of dielectric material oscillate. By other structure or means, th
5、is part of the energy can re-converte into light energy and radiate out .thus, this way can improve the light extraction efficiency.This article, firstly, will introduction the basic theoretical knowledge of the surface plasmon of the metal particles and LED. On the other hand ,by using tools of sim
6、ulation, we simulate different metal particles with different cycle (duty cycle), different dimensions and different materials to improve the light extraction efficiency, and then simulate the impact of the different emitted light polarization direction。Keywords: LED; Plasma; Absorb; Light extractio
7、n efficiency 目 录第一章绪 论1第二章 LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论32.1 LED及提高其出光效率的几种途径32.1.1 LED的发光原理32.1.2 LED的优势42.1.3 LED面临的主要问题42.1.4 提高其出光效率的几种途径72.2 等离子振荡的概念102.3 表面等离子体的生成112.3.1 表面等离子体的产生条件112.3.2 表面等离子体的激发方式122.4 表面等离子激元的应用142.5 金属纳米颗粒等离子体的消光特性152.5.1 纳米颗粒的等离子体激元共振152.5.2 单个金属颗粒的光学特性162.5.3 金属纳米颗粒阵列的消光特性及其影响
8、因素172.6 本章小结18第三章金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究193.1 Rsoft 简介193.2 模拟不同金属颗粒的等离子体激元模式提高LED出光效率263.2.1 金属纳米颗粒分布周期对其提高LED出光效率的影响273.2.2 模拟不同尺寸金属颗粒的等离子体激元结构提高LED出光效率293.2.3 模拟不同材料金属颗粒的等离子体激元结构提高LED出光效率323.2.4 出射光偏振方向对银颗粒的等离子体激元结构提高LED出光效率的影响333.3 总结343.3.1 对已完成工作的总结343.3.2 存在的不足及展望34参考文献35外文资料37中文翻译44第一章 绪 论发光二
9、极管(Light Emitting Diode, LED)是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象，但生产出有一定发光效率的红光LED己是1969年了。到今天，LED已生产了50多年，回顾过去，它己茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品（如白光LED驱动器）发展迅速，新产品不断上市，已发展成不少新型产业。展望将来，还期望更进一步地提高。众所周知，目前能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化困扰着我们，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。目前在世界电力的使用结构中
10、，照明用电约占总用电量的19%1。各国发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。LED作为新型高效光源，特别是白光光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用。因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其他污染物。因此如何制造出高效能的LED以使其早日取代现有的照明光源成为当今科学研究的一个重大课题，并越来越得到各界人士的广泛重视。这些年来，随着半导体照明的不断深入发展，作为半导体照明产品中的核心组成
11、部分LED芯片，其研究与生产技术有了飞速的发展，芯片亮度和可靠性不断提高。这使得在LED芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率的提高成为了核心内容，因此，如何提高光提取效率显得至关重要。 本文就LED器件中光提取效率提高途径问题，着重介绍了一种新的结构金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构。 金属表面等离子体激元就是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的激发态倏逝波。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的金属表面等离子激元(Surface plasmon polaritons, SPP
12、s)。表面等离子体激元的电磁场局限于介质表面，依靠改变导体表面的性质，可以改变表面等离子体激元的性质，这就为研制新型的光子学器件提供了的途径。同时，SPPs理论在亚波长领域的应用解释了很多传统光学难以解释的问题。近年来，随着扫描近场光学显微技术的发展，使直接在材料表面观测SPPs变为可能，这极大促进了表面激元的研究。随着SPPs及SPW(Surface Plasmon Wave)理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些经典光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储近场光学等领域的应用大放光彩。
13、另外，金属表面等离子体的按结构不同大致分为金属薄膜型和金属纳米颗粒型。本文着手于将金属颗粒等离子应用于LED光提取，着重研究不同结构的金属颗粒表面等离子体提高LED的出光效率，并进行比较得出相应结论。主要内容有：首先，着重介绍了LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论知识其中包括LED的发光基本原理、优势、提高LED为量子效率和金属表面等离子体的基本概念、原理及金属纳米颗粒结构制备、消光特性等的介绍。帮助读者建立起关于本课题的基本知识框架。然后，通过利用仿真软件Rsoft，模拟研究金属纳米颗粒的周期（占空比）、尺寸以及不同材料对金属纳米颗粒等离子激元提高LED出光效率的影响，同时也仿真了该结构
14、下不同偏振方向出射光对出光效率的影响，并得出来相应的结论。第二章 LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论本章将简单介绍关于LED及金属纳米颗粒表面等离子体一些基本理论。主要内容包括LED的发光基本原理、优势、光提取途径的介绍和金属表面等离子体的基本概念、原理及金属纳米颗粒结消光特性等的介绍。2.1 LED及提高其出光效率的几种途径2.1.1 LED的发光原理LED，即半导体固态照明采用发光二极管，其核心是PN结，所以它具有一般PN结特性，即正向导通、反向截止和击穿特性。在正向电压下，如图2-1所示。 图2-1 LED的发光原理PN结正偏，外加电场减弱PN结内建电场的作用，打破了载流子扩散与漂
15、移的动态平衡，使得载流子的扩散作用大于漂移，即大量的电子从N区扩散到P区，P区大量的空穴扩散到N区，进而在P区和N区形成非平衡载流子，这些非平衡载流子在各自的区域与区域内的平衡多数载流子复合，并以光子的形式辐射能量，就形成了发光，这就是LED的基本发光原理。另外，光子的能量，其中为PN结材料的带隙宽度，由此也可以看出对应于不同的材料结构，LED所发光的能量不同，对应的光子波长不同，即呈现出不同的颜色，这对于制作发不同颜色光的LED起着决定性的作用。另一方面，LED的发光效率是是评价一个发光器件优劣的重要指标，决定的该器件是否能够应用于日常生活中，而对于不同的发光材料也有着不同的发光效率，所以正
16、确的选择LED的发光材料也是当今LED研究的重要内容。2.1.2 LED的优势LED作为新型光源，应用范围十分广泛，主要包括了LED照明和LED显示两个大类，其中LED照明主要包括各类灯具的应用，LED显示则包括LED显示屏和液晶LED源的应用。其优点主要体现在以下几方面2：1.节能：LED灯具功耗低、光效高，比日光灯节约电量约70%80%；2.寿命长：在正常使用的情况下，寿命超过5000小时，理想状态下甚至可达10万小时以上，相当于连续点亮n年，并且性能稳定，5万小时光衰仅为30%；3.环保：不含汞等有害物质、可回收再利用，无红外和紫外线辐射(因此可避免招惹蚊虫)；4.人眼舒适度高：由于LE
17、D为恒流驱动，因此不存在闪频问题，能很好地保护眼睛；5.外形尺寸灵活：单个LED尺寸小巧，可随意组合形成发光模块，实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果；6.安全性高：LED使用低压恒流电源供电，工作电压低，十分适合在公共场所和某些特定作业场合使用；7.适合做大屏幕：LED色彩丰富饱满、演色性强，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，显色效果极佳；而且LED可控性强，可实现多变、逐变、混光效果，亮度和色彩动态控制容易，可实现色彩动态变换和数字化遥控控制；8.适合做液晶屏背光源：LED亮度高、发光均匀并可调;而且LED驱动响应快，达到纳秒级；此外，LED还有便于单点维护的优点。2.1.3
18、LED面临的主要问题自从1962 年世界上第一个商用红光GaAsP发光二极管由通用电器公司制作成功，发光二极管开始显示出它在发光器件市场中的地位。在20世纪70 年代初，虽然当时的发光二极管只有大约0.1%的发光效率，红光发光二极管就已经广泛应用在计算器和电子表的显示等场合。自从1991 年Nichia公司和Nakamura3公司等成功研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED后，GaN基LED 得到了迅速发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景，将来还有可能代替白炽灯、荧光灯，实现人类照明史上的又一次革命。L
19、ED作为一种光源，衡量它的一个重要指标就是光电的转换效率。目前，商用白光LED的发光效率只有7080lm/W，其发光效率与荧光灯相比还比较低。表2-1给出了不同年份LED的发光效率，可以看出近30 年来LED的发光效率提高了250 倍以上。随着LED 的应用越来越广泛，如何提高GaN基LED 的发光效率越来越成为关注的焦点。表2-1不同生产年份LED 的发光效率比较4年份材料发光效率（lm/W）1970GaAs0.6P0.40.21973GaP:Zn,O302005AlInGaP，InGaNSiC50提高LED发光效率的两个基本出发点是提高其内量子效率和外量子效率。由于工艺和技术的成熟，已经可
20、以制备内量子效率达到70%80%的GaN基LED。因此，通过提高内量子效率来大幅度提高LED发光效率已没有很大的余地。半导体照明LED关键技术之一也就是如何通过提高外量子效率来提升其出光效率。对于一个LED，它的外量子效率可用公式(2-1)表示： (2-1)式中，是内量子效率；是LED的光提取效率。由于非常低，所以LED内量子效率与外量子效率之间存在巨大的差距。一般来说，高质量LED的内量子效率可以达到99以上，而它的外量子效率却非常有限。因此，通过提高内量子效率来大幅提高LED发光效率已经没有很大的余地。半导体照明LED关键技术之一也就是如何提高外量子效率即提高其出光效率。出光效率，即衡量实
21、际有多少辐射从器件发出，是众多LED所面临的关键问题。降低LED光提取效率的原因主要有两点:1.半导体材料本身对光的吸收2.在半导体材料与空气界面，由于折射率差引起的全反射损耗。由于半导体材料本身对光的吸收是不可避免的，下面主要分析由全反射引起的损耗，普通的LED结构示意图如图2-2所示，从下至上依次是:衬底，N区，用于发光的有源区，P区，最上面是P电极和N电极。有的材料的LED还需要在P区上加电流扩展层(如GaN基LED)。图中，是介质的折射率，是空气的折射率，是入射角，是折射角。图2-2 LED结构示意图其中光提取率是由光学的折射定律所决定的，光线从根据光学折射定律，光线从光密物质(如芯片
22、)向光疏物质(如空气)时，根据折射公式: (2-2)因此当折射角=90，即=1达到全反射条件，设全反射的临界角为，则根据式(2-2)可得： (2-3)空气的折射率，当介质为InGaAsP时，其n1=3.3，则=17.6。也就是说LED内只有锥角为17.6的光锥内的光可以射出LED，如图2-3所示。图2-3 LED全反射光锥示意图从以上的分析可以看出提高LED的光提取效率成为提高LED外量子效率的关键。下面详细介绍目前国际上提高LED外量子效率的几种方法。2.1.4 提高其出光效率的几种途径1、生长分布布拉格反射层(DBR)结构在2000年N.Nakada5等人使用分布布拉格反射器DBR (Di
23、stributed Bragg Reflector)来提高LED的外量子效率。其LED的结构如图2-4所示，作者在衬底和有源区之间制作15对的GaN/AlGaN布拉格反射层。能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收，提高出光效率。其DBR结构直接利用MOCVD设备进行生长，无需再次加工处理。其反射率R与材料折射率以及布拉格反射层对数N的关系由以下公式6给出： (2-4)其中和分别是空气的折射率和介质的折射率，和是低折射率材料和高折射率材料的折射率，可见两种材料的折射率差越大，反射率越高。在一定的情况，反射率随着对数N的增加而提高。这种方法的缺点是随着层数的增加，难以控制在DB
24、R上生长的材料的晶格质量，引起缺陷较多，降低了LED的内量子效率，也影响了LED的外量子效率。 图2-4 带有DBR的LED结构图2、制作透明衬底LED(TS-LED)除了将光反射从LED上表面射出，另外一种减少衬底吸收作用的方法就是将GaAs基LED的衬底换成透明衬底，使光从衬底出射。可以在LED结构生长结束后，移去吸光的N型GaAs衬底，利用二次外延生长出透明的、宽禁带的导电层。也可以先在N型GaAs衬底片上生长厚50mm的透明层（比如AlGaAs），然后再移去GaAs衬底。这两种技术的问题在于透明层的价格昂贵，难于生长，而且与高质量的有源层之间匹配不好。另外一种技术就是粘合技术。它是指将
25、两个不同性质的晶片结合到一起，并不改变原来晶体的性质。粘合的方法非常多，有范德华粘合bonding技术7、金属共熔技术8、外延粘合和氧化粘合技术等。但它们都因为结合力太弱、界面不透明或界面导电性差等原因不适合做透明衬底的粘合。最终直接粘合技术引起人们的关注。制作透明衬底的过程如图2-5所示，图中原来的GaP有源区是生长在GaAs衬底上的，由于GaAs材料是黑色的对光的吸收很强。因此F.A.Fish等人首先使用选择腐蚀的方法将GaAs衬底腐蚀掉9，在高温单轴力的作用下将外延片粘合到透明的型GaP上10,11。制成的器件是GaP衬底-有源层-GaP窗口层的三明治结构。它允许光从六个面出射，因而提高
26、了出射效率。1994年，Hewlett-Packard公司开始生产TS（AlxGa1-x）0.5In0.5P/GaPLED，这是当时所能获得的最高亮度的LED。根据1996年的报道，636nm的TS-LED外量子效率可以达到23.7%；607.4nm的TS-LED的发光效率达到50lm/W但是这种方法工艺复杂对技术要求很高，没有办法满足大规模生产的要求。图2-5 透明衬底LED的制作过程示意图3、倒金字塔形LED这种方法旨在减小光在LED内部反射而造成的有源层及自由载流子对光的吸收。光在内部反射的次数越多，路径越长，造成的损失越大。通过改变LED的几何形状，可以缩短光在LED内部反射的路程。这
27、种新技术在1999年被提出12。它是在透明衬底LED基础上的再次加工。将粘合后的LED晶片倒置，切去四个方向的下角，如图2-6（a）所示。斜面与垂直方向的夹角为。图2-6(b)是横截面的示意图，它演示了光出射的路径。图2-6 倒金字塔形LED的实物图(a)和侧面出光意图(b)13LED的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于临界角的角度出射。使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程。这种方法只能每个分别加工，而且工序复杂，也无法大量生产。4、表面粗化技术光波在分子密度均匀介质中传播时，次波相干叠加的结果是遵循几何光学
28、定律的光线。光波传递到不均匀的媒体介质的表面时，不均匀的媒质小块成为了次波源，从他们到空间各点已有了不可忽略的光程差。这时，除了按几何光学规律传播的光线外，其他方向也有光线的存在，这就是散射光。这样，即使在光线入射角（全反射临界角）的情况下，光线也不会完全遵循全反射定律，角度分布的随机性使一部分光出射出来14，如图2-7所示。图2-7 平面对光的反射(a)，粗糙表面对光的散射作用(b) 14 表面粗化的方法很多，加州大学的I.Schnitzer和E.Yablonovitch提出用自然光刻法。就是先用旋转镀膜的方法将直径300nm的聚苯乙烯球镀在LED的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子
29、腐蚀的方法15，们将未遮蔽的表面腐蚀到深度为170nm左右，形成了粗糙的LED表面。另外，德国物理技术研究所的R.Windisch等人用430nm的聚苯乙烯球进行了进一步的实验16，发现了比前人更好的结果，如表2-2所示，表中的数值代表LED的外量子效率。表2-2 不同颗粒度对外量子效率的影响（a）未封装的LED光滑表面粗糙度为300nm粗糙度为430nm2.15%2.55%3.2%（b）封装后的LED光滑表面粗糙度为300nm粗糙度为430nm4.4%4.7%5.7%表中(a)，(b)分别代表未封装的和封装后的LED。可见表面粗糙技术确实能够提高LED的外量子效率。但是作用并不是很明显。5、
30、光子晶体的方法利用二维光子晶体提高LED的提取效率具有工艺简单，光提取效率高等优点而成为目前提高LED外量子效率的研究热点之一，在二维光子晶体应用到LED中也有相关的报道，已经有了多种制备二维光子晶体晶格的技术，如光刻腐蚀、电化学、选择性氧化等等。由于光子晶体限制了导波模，理论上的光提取效率可以达到90%以上。但是光子晶体LED的研制尚为理论验证和实验室阶段，尚不成熟。不过，对于未来的LED光提取效率接近1的诱人前景，仍然吸引了很多研究机构对此进行研究探索。 6、金属表面等离子激元耦合法金属表面等离子激元是一种在金属一介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等
31、特性，在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。近年来表面等离子光学和基SPPs的纳米光子器件的研究引起了国际上科学家们的广泛关注。本文就是在前人研究的基础上着重介绍了这一提高LED光提取效率的结构金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构。旨研究金属颗粒结构对LED内部光辐射吸收，探索不同结构金属颗粒的等离子体激元模式与LED内部光辐射模式的耦合，提取LED内部导波模式为辐射模式，进而提高LED出光效率。具体内容将在下一章详细介绍，下面我们先对金属表面等离子体给予介绍。2.2 等离子振荡的概念假设所研究的体系是一个无限大的块状金属，根据Drude17金属自由电子气模型，金属内的自由电子就像是电子的海
32、洋，和理想的气体分子一样，符合玻尔兹曼分布。假设电子群在某一时刻偏离了平衡位置,则势必在其周围形成电场，并受到电场力的作用向平衡位置运动，也就是说：像机械振动一样，如果忽略散射所引起的衰减，当电子群偏离平衡位置时，将会受到使它们返回平衡位置的恢复力，即电场力；在该恢复力的作用下，电子群将回到平衡位置，但是由于到达平衡位置时，势能为零，动能最大，所以电子群将通过平衡位置继续向前运动，直至全部动能变为势能。如此往复，电子这种简单的周期性运动被称为电子集体振荡。前面讨论的是块状金属内电子群的振荡，这一段我们主要考虑金属表面自由电子振荡的情形，由于电子的横向运动受到金属表面的阻碍，所以在金属表面上电子
33、的浓度以梯度分布，形成了局限于金属表面的等离子体振荡，Powell和Swan的电子能量损失实验已经证明了该振荡的存在。伴随着表面等离子体的振荡，产生了一种传播于金属表面，并且振幅沿z方向衰减的表面电磁波，我们把该电磁波称为表面等离子体波(SWP)。由于金属表面电荷的振荡，产生横向和纵向的电磁场，可知该电磁场在时消失，在金属的表面最强，因此对表面的性质很敏感。另外研究发现，电磁波能量能在方向上指数衰减，其在界面处，表面等离子体波沿方向传播，没有分量，且方向传播的波失为虚数；其中决定了表面等离子体的振动频率，则相当于表面等离子体波的阻尼因子，所以表面等离子体在沿金属表面传播过程中，振幅以负指数的形
34、式衰减。2.3 表面等离子体的生成2.3.1 表面等离子体的产生条件介质l和介质2均为半无限大的各向同性非磁性介质，其相对介电常数分别为和，假设在如图2-8所示的界面上存在表面等离子体波，且沿界面x轴方向传播。图2-8 表面等离子体界面条件由金属表面等离子波的传播特性可得式(2-5)： (2-5)由于和均为正实数，那么介质1和介质2的相对介电常数的符号一定相反，即表面等离子体一定存在于两种介质介电常数符号相反的界面上。如果其中一个介质是介电常数的实部为负的金属，那么就符合表面等离子波产生的条件。在可见光和近红外区域，像金、银、铝等这些反射率较高的金属来说，它们的复介电常数具有实部的绝对值比其虚
35、部大得多的负数的特性，即有由于金属的这种特殊光学性质，使得表面等离子波可以在金属和介质的界面传输，而且还可以在夹于两介质中的金属薄膜表面产生长程表面等离子波。2.3.2 表面等离子体的激发方式图2-9中的实线表示光滑金属平面上表面等离子体电磁波在平行于金属平面方向的色散关系。倾斜的虚线是入射光在介电质中的色散关系。从图中可以看出，当频率很低时，表面等离子体波沿金属表面传播的色散关系与介质(如真空)中的电磁波的差异不是很大。但是当频率增大，接近金属等离子体共振频率的数量级时，表面等离子体波的传播会明显得慢下来。这一特性使得高频情况下，特别是对于近红外和可见光时，对于普通金属的光滑平面，等离子体波
36、很难与入射光波发生耦合。但是如果在金属介质界面上加入特殊结构后，改变了入射光波矢量，可以使SPPs和入射光的耦合成为可能18-21。图2-9 等离子体和光的色散关系表面等离子激元的激发可以通过电子和光两种方式，在这里只简单介绍光的激发。由2-9图可见表面等离子体激元(SPPs)的波矢大于光子的波矢，在光滑平面上无法直接与光耦合，要实现光激发，需要给予光波矢补偿，使其与SPPs的波矢匹配，实现波矢补偿的方法有衰减全反射法和衍射补偿法。对于衰减全反射，其通过增加光的动量来补偿达到与SPPs达到匹配，又包括光栅耦合器22-25和ART耦合器25。1、棱镜耦合器(ART)由表面等离子体波的色散曲线分析
37、可知，当P偏振光直接从空气或者真空中入射到金属层表面时，并不能直接激发表面等离子体。大部分金属均满足的条件，而真空中的入射光波矢在x方向上的投影： （2-6）可以考虑利用衰减全反射法光。从光密介质进入光疏介质，若入射角大于临界角，则界面处会发生全反射。但是，光波的电磁场强度在界面处并不能立即减小为零，而是部分地进入到光疏介质中，并且随着入射深度以指数形式衰减，形成所谓的倏逝波，倏逝波的有效深度一般为100nm200nm。在玻璃或石英的棱镜上，镀一层高反射率的金属薄膜，其厚度一般为几十纳米。当光以一定的入射角透过棱镜照射到与金属薄膜的界面，并发生全反射时，如果入射光在入射到金属之前先经过一层介电
38、系数为的介质，那么其波矢的切向分量就会变为 （2-7）其中，是入射光的角频率，是介质的介电常数，是入射光的入射角，是光速。此时，在金属与空气的界面，将会激发金属表面的自由电子，产生振荡电荷，形成表面等离子体波，波矢表达式为: （2-8）通过调整入射角和入射光波长，从而使入射光波矢的切向分量增加，使和相等。这样金属表面的等离子体波就会与倏逝波发生耦合，产生表面等离子体共振，入射光波的大部分能量就会被表面等离子波所吸收，转化为热能，所以反射光强急剧下降，达到最小，此时的入射角称为共振角，入射光波长为共振波长，ART耦合器的Kretschmann31(克莱彻斯)结构就是使用这种方法，在金属的表面加上
39、一层介质，从而增大入射光的动量，激发表面等离子激元(如图2-10左图所示)。Otto32(奥拓)结构与Kretschmann结构有所不同，它是按棱镜、空气和金属的顺序，在棱镜底面与金属膜之间有一适当的间隙d，其厚度与入射光波长相近，通过调整该间隙，使入射光的波矢量在界面的水平分量等于SPR的波矢量，就可以激发表面等离子体波。两种结构如图: Kretschmann结构 Otto结构 图2-10棱镜耦合结构2、光栅祸合器26-28当入射光以入射角 (入射光于轴夹角)入射时，它在方向的分量为。如果在金属表面刻蚀周期为的光栅(图2-5)，那么入射光波矢的切向分量就会受到调制变为 （2-9）其中为入射光
40、的角频率，为任意的整数。因此入射光的动量得到了增加而可以激发表面等离子激元。相反的过程也是成立的，即由于光栅的调制减少而转变成光。图2-11光栅耦合激发SPPs28-322.4 表面等离子激元的应用随着SPPs及SWP理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在很多领域应用具有巨大的潜力，以下将对其在生物传感和光学器件方面的应用给以简单介绍：1、在生物传感方面的应用由于表面等离子体的共振现象对表面结构、界面组成物质或金属厚度等的变化非常敏感，表面等离子体波的一个应用是基于SPR技术研制而成的SPR传感器，该传感器使用棱镜结构激发表面等离子波，可以应用于生物化学领域的相关检测，如侦测界面物质
41、，微量成分气体与液体的感测、单一化学分子的检测及超微量生物医学的光学感测应用，或者由表面等离子体共振的全反射光谱也可作为对薄膜物质的光学常数(折射率与波矢)或厚度的精确测量。2、在光学器件方面的应用表面等离子体本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的光波，SPPs与光波的相互作用是与SPPs本身紧密联系的，因此通过改变的特性，比如改变金属表面一定的亚波长结构等参数，可以进而改变其对光波的调控，据此可以制作成集成光路中的光学器件，如波导、光开关等。根据表面等离子体波相关的选择性增强透射效应和角度控制效应，可以用于制作光束调制器、波分复用器、耦合器和光存储器件等。利用具有周期性纳米结构
42、的金属薄膜表面等离子体共振效应，通过改变周期结构的形状、大小与周期等几何参数，也可使原本不透光的金属可选择性地穿透或吸收特定波长的光波，这一特性可以应用在光电领域中的滤光器或光学显示器上。除此之外，表面等离子体波还可以应用于金属纳米天线中，由于表面等离激元共振引起的局域场增强，可以极大提高光和物质的作用效率，比如提高器件的光电转换效率等，本文所研究则是利用SPPs吸收光波的特性应用于LED光提取技术，提高LED的发光效率。2.5 金属纳米颗粒等离子体的消光特性金属纳米粒子的光学性质早在中世纪就引起了科学家的关注，金纳米粒子对特定波长可见光的选择吸收而呈现出丰富多彩的颜色，这个特性在17世纪时就
43、被广泛用来制作教堂的彩色玻璃。Faraday（法拉第）最早认识到，玻璃的红宝石颜色可能源自于镶嵌其中的金溶胶粒子的特殊光学性质。对此现象最早的理论认识则应该是Mie，他在1908年通过求解Maxwell方程组而给出了各向同性球型粒子对光的吸收和散射的严格数学解析解。Mie理论自创立以来一直受到极大的重视，时至今日依然是研究金属纳米粒子线性光学性质的最基本工具之一。理论上，用Mie理论解决球型粒子与光相互作用问题时，只需要知道目标粒子的尺寸、介电常数以及周围介质的介电系数，其消光系数就可以很快计算出来。但是，粒子的形状显然不会仅限于球形，理论上需要发展各种形状粒子光学性质的研究方法。1912年，
44、Gans将Mie理论加以拓展，进一步解决了椭球状粒子对光的吸收、散射及消光问题。由于当入射光照射到金属纳米颗粒上，会导致颗粒表面的电子集体共振，产生局域等离子共振(Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR)，而LSPR导致了显著消光带的出现和局域场增强效应，它们可以应用于生化传感器和光波导结构等，不同应用需要特定的LSPR波长和消光谱。对于孤立的单个金属球形颗粒，其光学特性一般用Mie理论来描述。除了研究单个金属颗粒，许多人开始研究两个金属颗粒对的光学特性，当两个金属颗粒靠近放置，单个颗粒的等离子波会相互耦合导致额外的共振出现，此外对于金属颗粒周期阵列的
45、消光特性的研究也很多，许多实验和理论表明消光谱的特性，如中心频率、带宽、幅度和线形与颗粒的大小、形状、周围环境、颗粒的间隔(即晶格常数)和颗粒的排列方式等有关。因此在一定的限制内，可以通过控制这些参数得到需要的消光特性。2.5.1 纳米颗粒的等离子体激元共振前面已经总体介绍了金属表面的等离子振荡和等离子体的产生，在此基础上我们来研究金属纳米颗粒等离子激元的一些特性。在有限大小的金属纳米结构或者金属表面具有微结构或缺陷时，表面等离子体激元将会被局限在此微结构附近，无法继续传播，其能量被压缩到纳米尺度,近场强度进一步增强，这样的表面等离子体激元被称为局域表面等离子体激元。然而，并不是所有的金属都能
46、在可见光激发下产生表而等离子体激元共振，能产生此表面等离子体激元共振的金属主要有贵金属金、银、铜以及碱金属等自由电子气金属。其主要原因是，金、银、铜等贵金属的等离子体激元共振频率位于可见光到近红外波段内，因此可以在这个波段入射光的激励下提供最大电磁场增强。球形金属纳米粒子在光的激励下，其内部自由电子在电磁场作用下开始振荡，如图2-12所示图2-12 纳米微球的等离子共振示意图金属粒子发生极化，电子云相对于核的位置发生偏移，电子和核之间的库仑力就会吸引电子回到原来的位置，这样就形成了电子云相对于核的振荡。振荡频率由四个因素决定:电子密度，电子有效质量，电荷分布和粒子尺寸。粒子正电中心与负电中心发生类似于偶极子的振荡模式，这种电子的集体振荡被称为粒子的
