全内反射条件下金属/介质多形性纳米结构的近场光散射机制及其光-电器件应用

Extensive studies have shown that metal and dielectric nanostructures with specific optical effects could scatter evanescent field into a far-field radiation, which could be applied for improving the light extraction efficiency of light emitting devices. Currently, the extraction efficiency of single nanostructure is still low, and the physical mechanism of the interaction between nanostructures and evanescent field has not been systematically clarified. In this project, we aim to design periodic and non-periodic metal/dielectric hierarchical nanostructures based on cluster beam deposition, study the propagation of evanescent wave and the mechanism of near/far field transformation, and thus outlines a clear physical picture based on a series of theory analytical solution. Optimizing the structure design, to realize the efficient extraction of total internal reflection. Based on the above research, this project is further to study the effect of surface plasmon resonance, coupling, mode matching, local field enhancement and light scattering on the light extraction efficiency, quantum efficiency and radiative energy distribution of the GaN based LEDs, and find optimal solutions to improve the luminous efficiency of LEDs.

研究表明，具有特殊光学效应的金属和介质纳米结构能够与全内反射近场耦合并将其散射为远场辐射，该光提取过程应用于固态发光器件时能有效提升器件的发光效率。目前，单一纳米结构全内反射光提取效率仍十分有限，而且纳米结构与全内反射隐逝场的作用机制尚未获得系统阐明。本项目拟基于可控纳米粒子束流沉积技术合理设计并制备周期和非周期金属/介质多形性复合纳米杂化结构，在全内反射条件下开展复合纳米结构与隐逝波的耦合、散射及近场/远场转换物理机制的研究，并结合相关数值方法给出金属/介质复合纳米结构耦合隐逝场提取全内反射光的物理图像。优化结构设计，使之实现对全内反射光的高效提取。在此基础上，以GaN功率LED为研究对象，考查金属/介质多形性复合纳米杂化结构中等离激元共振、耦合、模式匹配、局域场增强、光散射等各方面综合作用对光提取效率、外量子效率乃至光发射能量分布的影响规律，寻找到最优化的方案来提高LED的发光效率。

研究表明，具有特殊光学效应的金属和介质纳米结构能够与全内反射近场耦合并将其散射为远场辐射，该光提取过程应用于固态发光器件时能有效提升器件的发光效率。目前，单一纳米结构全内反射光提取效率仍十分有限，而且纳米结构与全内反射隐逝场的作用机制尚未获得系统阐明。在本项目中，我们研究系统研究了基于气相纳米团簇粒子束流的纳米结构制备技术，并在全内反射条件下开展了复合结构与隐逝场的耦合、局域场增强、近/远场转化等过程的研究。重点开展了Ag纳米粒子点阵结构的全内反射光提取特性的研究，并结合 FDTD 模拟给出了纳米结构散射隐逝波提取全内反射光的物理图像。以 GaN 基蓝光LED为研究对象，首次创造性地提出并实现了仿生金属纳米结构优化的高效率LED，其出光效率较普通LED提升近2倍。此外，研究了基于气相纳米粒子束流技术制备的复杂金属纳米结构的局域场增强效应，提出了构建三维局域场增强活性点位“hot-spot”的新方案，该方案可用于SERS芯片并实现宽带响应和单分子检测。进一步将金属纳米结构的应用扩展至传感器领域，实现了基于Pd金属纳米粒子点阵的高灵敏度气体和应变传感。