微纳光子结构中的光子操控与光伏特性研究

【摘要】：近年来,随着微纳制造技术的快速发展,半导体微纳米结构(如：光子晶体、量子点、量子阱、纳米线等)在光电子器件中的应用也越来越广泛。电磁理论与量子物理效应相结合的研究因此成为了半导体微纳米器件领域的研究热点,而微纳光子结构中光子操控与光伏特性研究是这两方面的重要体现,在现代光电子器件的发展中有重要的意义。 本论文依托课题组承担的国家863计划(批准号：2009AA03Z405)、国家自然科学基金(批准号：60971068)项目,围绕半导体微纳米材料的生长、半导体微纳器件(量子阱、量子点和光子晶体器件)中的光子运动规律以及光与物质之间相互作用展开相关的理论研究和时域有限差分法(FDTD)计算。取得的主要成果如下： 1.半导体微纳结构生长过程中的物理特性研究。半导体材料的生长对于光电子器件的特性非常重要,通过分子动力学研究可以深入了解半导体材料及结构(例如GaN薄膜及SiGe超晶格结构等)生长过程中的物理特性和动态过程,是光通信及光电子器件制造的基础。 2.量子点中光与物质相互作用及斯托克斯效应的新解释。通过数值模拟,理论推导与实验的结合,对量子点中斯托克斯位移效应做出了新解释,研究发现入射光激发量子点激子与外界光场相互耦合,形成激子-极化激元,从而影响量子点的介电常数,继而影响通过量子点内部的光功率,导致吸收峰和发射峰之间的位移,也就是斯托克斯位移。该结论为生物光电子探测及单光子通信提供了有用的理论依据。 3.光子晶体带隙对光子操控及其在空间光通信中的应用。利用光子晶体带隙特性,通过数值模拟设计了一种新颖的二维光子晶体波导结构,可以通过简单调节出口结构以实现1-2、1-3、1-5光分束器功能,各光束具有对称的能量分布和很好的定向特性。同时对其中的物理特性做了详细的理论分析,为空间光通信器件设计提供了有用的指导。 4.光子晶体衍射结构用于量子阱、量子点红外探测器。根据量子吸收的选择定则,量子阱或MBE生长的扁平量子点不能或者不能很好地吸收垂直入射的光场,本工作利用金属光子晶体和电介质材料光子晶体结构对垂直入射光进行衍射和耦合,进而提高了量子阱、量子点红外探测器的光吸收效率。 5.表面等离子体结构在量子阱、量子点红外光探测器上应用。金属孔-半导体界面的表面等离子体波可以有效衍射界面附近的光场,产生新的电场分量,而该电场分量对量子阱、量子点吸收光场非常重要,从而增强了红外探测器中光与物质的相互作用和光电流。 6.光子晶体结构在CdSe量子点或染料太阳能电池中应用。利用光子晶体可以对带内波长光实现有效散射的特性,设计了可以运用于量子点或染料太阳能电池中的梳状光子晶体框架结构,量子点或染料分子嵌入光子晶体晶格中。该结构不仅可以在宽波段范围有效散射入射的太阳光,增加了光子运动路径,还可以产生共振模式,很好的束缚住光,进而增加了光与物质相互作用的几率。 【关键词】：半导体微纳结构 光子晶体 量子点 量子阱 光衍射 光与物质相互作用 光伏效应 分子动力学方法 时域有限差分法
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN256;TB383.1
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-42
• 1.1 光子操控研究概况16-19
• 1.1.1 光与物质的相互作用16
• 1.1.2 光学理论16-17
• 1.1.3 光的衍射和干涉17-18
• 1.1.4 光电子技术与微纳光电子学18-19
• 1.2 半导体微纳结构与金属微纳结构19-25
• 1.2.1 半导体微纳米材料与结构的制备技术19-20
• 1.2.2 薄膜20-21
• 1.2.3 量子阱、量子点与超晶格21-23
• 1.2.4 电介质光子晶体23-25
• 1.2.5 金属光子晶体25
• 1.3 量子阱/点红外探测器25-28
• 1.4 量子点太阳能电池28-29
• 1.5 本论文的结构安排29-31
• 参考文献31-42
• 第二章 半导体纳米结构生长过程的分子动力学研究42-62
• 2.1 研究背景42
• 2.2 半导体纳米材料及结构生长的模拟方法42-45
• 2.3 研究方法和内容45-48
• 2.4 结果与讨论48-58
• 2.4.1 GaN薄膜生长分子动力学研究48-50
• 2.4.2 Si(001)衬底上Si,Ge,C吸附原子的扩散规律50-53
• 2.4.3 弛豫Si和应变Si中点缺陷研究53-55
• 2.4.4 SiGe超晶格弛豫研究55-58
• 参考文献58-62
• 第三章 微纳光子结构中光传播特性的数值模拟方法62-74
• 3.1 时域MAXWELL方程和边界条件62-63
• 3.2 时域有限差分法63-72
• 3.2.1 入射波类型67-68
• 3.2.2 边界条件68-70
• 3.2.3 材料介电常数70-71
• 3.2.4 FDTD模拟中的计算技巧71-72
• 参考文献72-74
• 第四章 半导体纳米结构中光与物质的相互作用74-86
• 4.1 电磁场中的电子74-76
• 4.2 半导体中的光子吸收和发射76
• 4.3 纳米结构中的电子波函数76-79
• 4.4 固态量子阱/点光电流79-81
• 4.5 胶质量子点中的激子-极化激元81-84
• 参考文献84-86
• 第五章 微纳光子结构中光子操控与光伏特性86-112
• 5.1 光子能带结构86-87
• 5.2 光波导实现光子定向发射和光子分束87-92
• 5.2.1 光子晶体波导87-91
• 5.2.2 金属波导91-92
• 5.3 光子晶体散射特性提高太阳能电池效率92-97
• 5.3.1 提高太阳能电池效率的方法92
• 5.3.2 梳状光子晶体结构提高太阳能电池效率92-97
• 5.4 光子晶体提高量子阱、量子点红外探测器的光吸收效率97-107
• 5.4.1 电介质材料光子晶体98-99
• 5.4.2 金属-反射型光子晶体99-103
• 5.4.3 金属-表面等离子体型光子晶体103-107
• 参考文献107-112
• 第六章 论文总结与展望112-114
• 6.1 论文总结112-113
• 6.2 未来工作展望113-114
• 致谢114-116
• 攻读博士学位期间发表的论文116-118

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