微納光子結(jié)構(gòu)中的光子操控與光伏特性研究

【摘要】：近年來,隨著微納制造技術(shù)的快速發(fā)展,半導(dǎo)體微納米結(jié)構(gòu)(如：光子晶體、量子點、量子阱、納米線等)在光電子器件中的應(yīng)用也越來越廣泛。電磁理論與量子物理效應(yīng)相結(jié)合的研究因此成為了半導(dǎo)體微納米器件領(lǐng)域的研究熱點,而微納光子結(jié)構(gòu)中光子操控與光伏特性研究是這兩方面的重要體現(xiàn),在現(xiàn)代光電子器件的發(fā)展中有重要的意義。 本論文依托課題組承擔(dān)的國家863計劃(批準(zhǔn)號：2009AA03Z405)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：60971068)項目,圍繞半導(dǎo)體微納米材料的生長、半導(dǎo)體微納器件(量子阱、量子點和光子晶體器件)中的光子運動規(guī)律以及光與物質(zhì)之間相互作用展開相關(guān)的理論研究和時域有限差分法(FDTD)計算。取得的主要成果如下： 1.半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)生長過程中的物理特性研究。半導(dǎo)體材料的生長對于光電子器件的特性非常重要,通過分子動力學(xué)研究可以深入了解半導(dǎo)體材料及結(jié)構(gòu)(例如GaN薄膜及SiGe超晶格結(jié)構(gòu)等)生長過程中的物理特性和動態(tài)過程,是光通信及光電子器件制造的基礎(chǔ)。 2.量子點中光與物質(zhì)相互作用及斯托克斯效應(yīng)的新解釋。通過數(shù)值模擬,理論推導(dǎo)與實驗的結(jié)合,對量子點中斯托克斯位移效應(yīng)做出了新解釋,研究發(fā)現(xiàn)入射光激發(fā)量子點激子與外界光場相互耦合,形成激子-極化激元,從而影響量子點的介電常數(shù),繼而影響通過量子點內(nèi)部的光功率,導(dǎo)致吸收峰和發(fā)射峰之間的位移,也就是斯托克斯位移。該結(jié)論為生物光電子探測及單光子通信提供了有用的理論依據(jù)。 3.光子晶體帶隙對光子操控及其在空間光通信中的應(yīng)用。利用光子晶體帶隙特性,通過數(shù)值模擬設(shè)計了一種新穎的二維光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu),可以通過簡單調(diào)節(jié)出口結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)1-2、1-3、1-5光分束器功能,各光束具有對稱的能量分布和很好的定向特性。同時對其中的物理特性做了詳細(xì)的理論分析,為空間光通信器件設(shè)計提供了有用的指導(dǎo)。 4.光子晶體衍射結(jié)構(gòu)用于量子阱、量子點紅外探測器。根據(jù)量子吸收的選擇定則,量子阱或MBE生長的扁平量子點不能或者不能很好地吸收垂直入射的光場,本工作利用金屬光子晶體和電介質(zhì)材料光子晶體結(jié)構(gòu)對垂直入射光進(jìn)行衍射和耦合,進(jìn)而提高了量子阱、量子點紅外探測器的光吸收效率。 5.表面等離子體結(jié)構(gòu)在量子阱、量子點紅外光探測器上應(yīng)用。金屬孔-半導(dǎo)體界面的表面等離子體波可以有效衍射界面附近的光場,產(chǎn)生新的電場分量,而該電場分量對量子阱、量子點吸收光場非常重要,從而增強(qiáng)了紅外探測器中光與物質(zhì)的相互作用和光電流。 6.光子晶體結(jié)構(gòu)在CdSe量子點或染料太陽能電池中應(yīng)用。利用光子晶體可以對帶內(nèi)波長光實現(xiàn)有效散射的特性,設(shè)計了可以運用于量子點或染料太陽能電池中的梳狀光子晶體框架結(jié)構(gòu),量子點或染料分子嵌入光子晶體晶格中。該結(jié)構(gòu)不僅可以在寬波段范圍有效散射入射的太陽光,增加了光子運動路徑,還可以產(chǎn)生共振模式,很好的束縛住光,進(jìn)而增加了光與物質(zhì)相互作用的幾率。 【關(guān)鍵詞】：半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu) 光子晶體 量子點 量子阱 光衍射 光與物質(zhì)相互作用 光伏效應(yīng) 分子動力學(xué)方法 時域有限差分法
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TN256;TB383.1
【目錄】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 緒論16-42
• 1.1 光子操控研究概況16-19
• 1.1.1 光與物質(zhì)的相互作用16
• 1.1.2 光學(xué)理論16-17
• 1.1.3 光的衍射和干涉17-18
• 1.1.4 光電子技術(shù)與微納光電子學(xué)18-19
• 1.2 半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)與金屬微納結(jié)構(gòu)19-25
• 1.2.1 半導(dǎo)體微納米材料與結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)19-20
• 1.2.2 薄膜20-21
• 1.2.3 量子阱、量子點與超晶格21-23
• 1.2.4 電介質(zhì)光子晶體23-25
• 1.2.5 金屬光子晶體25
• 1.3 量子阱/點紅外探測器25-28
• 1.4 量子點太陽能電池28-29
• 1.5 本論文的結(jié)構(gòu)安排29-31
• 參考文獻(xiàn)31-42
• 第二章 半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)生長過程的分子動力學(xué)研究42-62
• 2.1 研究背景42
• 2.2 半導(dǎo)體納米材料及結(jié)構(gòu)生長的模擬方法42-45
• 2.3 研究方法和內(nèi)容45-48
• 2.4 結(jié)果與討論48-58
• 2.4.1 GaN薄膜生長分子動力學(xué)研究48-50
• 2.4.2 Si(001)襯底上Si,Ge,C吸附原子的擴(kuò)散規(guī)律50-53
• 2.4.3 弛豫Si和應(yīng)變Si中點缺陷研究53-55
• 2.4.4 SiGe超晶格弛豫研究55-58
• 參考文獻(xiàn)58-62
• 第三章 微納光子結(jié)構(gòu)中光傳播特性的數(shù)值模擬方法62-74
• 3.1 時域MAXWELL方程和邊界條件62-63
• 3.2 時域有限差分法63-72
• 3.2.1 入射波類型67-68
• 3.2.2 邊界條件68-70
• 3.2.3 材料介電常數(shù)70-71
• 3.2.4 FDTD模擬中的計算技巧71-72
• 參考文獻(xiàn)72-74
• 第四章 半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中光與物質(zhì)的相互作用74-86
• 4.1 電磁場中的電子74-76
• 4.2 半導(dǎo)體中的光子吸收和發(fā)射76
• 4.3 納米結(jié)構(gòu)中的電子波函數(shù)76-79
• 4.4 固態(tài)量子阱/點光電流79-81
• 4.5 膠質(zhì)量子點中的激子-極化激元81-84
• 參考文獻(xiàn)84-86
• 第五章 微納光子結(jié)構(gòu)中光子操控與光伏特性86-112
• 5.1 光子能帶結(jié)構(gòu)86-87
• 5.2 光波導(dǎo)實現(xiàn)光子定向發(fā)射和光子分束87-92
• 5.2.1 光子晶體波導(dǎo)87-91
• 5.2.2 金屬波導(dǎo)91-92
• 5.3 光子晶體散射特性提高太陽能電池效率92-97
• 5.3.1 提高太陽能電池效率的方法92
• 5.3.2 梳狀光子晶體結(jié)構(gòu)提高太陽能電池效率92-97
• 5.4 光子晶體提高量子阱、量子點紅外探測器的光吸收效率97-107
• 5.4.1 電介質(zhì)材料光子晶體98-99
• 5.4.2 金屬-反射型光子晶體99-103
• 5.4.3 金屬-表面等離子體型光子晶體103-107
• 參考文獻(xiàn)107-112
• 第六章 論文總結(jié)與展望112-114
• 6.1 論文總結(jié)112-113
• 6.2 未來工作展望113-114
• 致謝114-116
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文116-118

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