硅纳米微粒阵列太赫兹电磁特性及等效电路模型研究

Silicon nanoparticles with different doping and size can exhibit surface plasmon resonance (SPR) in terahertz frequency band, which could be utilized to achieve confinement or enhancement of local field intensity near the particle surface. With such properties, the array of silicon nanoparticles could promise a bright future in the terahertz metamaterials and its application in terahertz devices. In order to properly account for the space charge interactions in the silicon nanoparticles, an electrodynamics model encompassing the transport equations of the charge carriers and the Maxwell's equations will be developed, which relieves the constraint of a uniform conductivity using in the traditional analysis method. The charge carrier motion in the silicon nanoparticle due to the terahertz EM field excitation and the mutual coupling effect between the neighboring nanoparticles will be studied to gain insight to the intrinsic nature. The charge distribution and its role in the polarization process will be further illustrated. To overcome the difficulties of employing the transport formulation in the analysis of complex nanostructures, the method of developing the equivalent circuit model will be intensively studied based on the carrier transport consideration. The model will be further demonstrated by experiment and the modification method will be proposed according to it. With the aid of the equivalent circuit model, the EM properties of the silicon nanoparticles array with different settings will be studied and their potential applications in terahertz device will be explored. The research of silicon nanoparticles array will open up a new area of terahertz metamaterial. Meanwhile, the proposed equivalent circuit model can also be employed to guide the study and the design of other complex semiconductor nanostructures to achieve novel properties in terahertz applications.

不同掺杂、尺寸的硅纳米微粒在太赫兹波段具有局部吸收或增强的效果，由其构成的微粒阵列在太赫兹功能材料、器件中可具有重要的应用前景。本项目拟从理论分析入手，针对传统分析方法运用均匀体电导率及介电方程所无法避免的理论分析误差，提出结合载流子输运过程分析建立电动力学模型的方法。围绕硅纳米微粒中载流子在太赫兹电磁场及相邻微粒间耦合共同作用下产生的运动分布及在极化过程中的作用展开研究，探索解析方法，阐明其中的物理机理。针对结合输运方程分析会极大提高复杂微纳结构分析难度的问题，重点研究基于载流子运动物理机理构建硅纳米微粒阵列等效电路模型的方法，通过实验手段验证并提出修正优化的方法。继而运用此模型分析不同阵列结构的电磁响应特性，探索其在太赫兹功能器件中的应用前景。本课题的研究不但为太赫兹功能材料的研究开辟了一个新的领域，其等效电路模型的分析方法对研究设计其他复杂半导体微纳结构具有重要的参考价值。

半导体纳米微粒在太赫兹波段具有局部吸收或增强的效果，由其构成的微粒阵列在太赫兹功能材料、器件中可具有重要的应用前景。本项目开展了独立硅纳米微粒在太赫兹电磁场下的响应研究，优化了电动力学模型。分别研究分析了运用空间电荷积分法以及外电场法在数值计算中求取电偶极矩的方法。研究了相邻硅纳米微粒间的相互作用，通过平均场论以及有限元数值仿真的方法分别进行分析，得到在不同微粒大小、间距、电场方向的情况下的响应特性。研究分析了硅纳米双微粒结构的等效电路模型，等效电路模型和基于玻尔兹曼输运模型的计算结构基本吻合。实验结果表明，运用等效电路模型可以极大的降低整体计算难度和计算量。研究了强电场对硅纳米微粒内部空间电荷分布、以及电偶极子的影响，发现随着电场强度的增加，由于电子和空穴的迁移率不同，原本空间电荷分布的对称性被打破，发生明显的非对称分布，同时电偶极矩将逐渐下降。此部分研究为太赫兹功能材料以及大功率太赫兹器件的设计制备提供了重要的理论参考。. 在材料制备方面，研究制备了不同间隔尺寸的单层聚苯乙烯小球和不同尺寸的多孔阳极氧化铝掩模版。通过磁控溅射等方式在模板上制备半导体纳米阵列，通过清洗，退火的方法去除掩模版，水热生长得到完整的半导体纳米阵列结构。使用太赫兹时域光谱系统对所制得的纳米阵列进行检测，结果表明阵列化半导体纳米结构可有效增强其在太赫兹波段的响应，符合理论计算预期，未来在太赫兹传感器件、波导、激光器领域拥有广阔应用前景。. 在太赫兹频谱响应分析方面，研究了在小波变换、S-G滤波等方法的基础上，进一步运用凸组合核函数、深度信念网络、核相关向量机等智能方法挖掘太赫兹光谱特征并进行光谱分析研究。此部分研究可以有效拓展太赫兹频谱的应用，并为太赫兹技术走向实用化提供了技术支撑。