宽光谱高效率纳米金属光天线的研究

随着微细加工技术的发展, 纳米金属结构体系的研究取得了很大的发展，利用纳米金属结构中SPPs独特的光学特性，在新型光源、光伏电池、高灵敏生物传感器等领域有着重要的应用前景。如何利用光天线在较宽光谱内实现光场的控制和约束，提高光电器件的转换效率，是目前亟待解决的科学问题。本课题立足于表面等离激元学的国际前沿问题，在研究纳米金属结构中SPPs激发、耦合等基本物理问题的基础上，利用SPPs在纳米金属结构中所表现的场增强效应以及异常光透射现象，结合"超材料"和"变换光学"等新的光波控制和约束理论，通过结构仿真和材料优化，设计并制作新型纳米金属光天线，在宽光谱内实现高效的光电能量转换和转移，从而拓宽传统光电器件的设计原理和方法，为新型光电器件的研究提供重要的理论依据和技术支持。

本研究对纳米金属/介质结构光天线的一系列理论和实践问题进行了系统的探讨，取得了多项有创新意义的结果,达到并在某些方面超过了预定的目标。首先研究了纳米金属柱光天线阵的远场辐射特性，分析了其增益和方向性与天线结构的关系；利用离散偶极子近似方法，研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。其次, 研究了宽光谱蝴蝶结型纳米金属光天线的近场特性, 总结了其结构参数的变化对其Purcell因子及近场特性变化的规律; 研究了"变换光学"等新的光波控制和约束理论，设计了改变可控物体散射界面大小的电磁结构。再次，研究了利用银纳米圆盘光天线阵列增强LED出光效率的物理机制, 通过对LED有源区的近场分布和远场方向性的分析，从理论上解释了金属纳米光天线结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响, 利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。最后，研究了纳米介质结构增强LED增加光提取效率的物理机制，总结了各种周期性纳米介质结构对提高LED的发光效率的影响规律；同时分析了带有缺陷结构、无序结构的纳米介质结构对LED的发光效率的影响；首次了提出通过设计具有特殊空间频谱分布的光子晶体来提高发光二极管的发光效率方法。这些研究成果为高效率的光天线和光电器件的设计和制备提供了一套理论基础。