973项目申报书——2009CB930500-金属@介质纳米异质结构中的局域耦合效应及其在光电转换器

项目名称：金属/介质纳米异质结构中的局域耦合效应及其在光电转换器件中的应用首席科学家：徐现刚山东大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部1一、研究内容1.拟解决的关键科学问题本项目围绕金属/介质纳米异质结构中的局域耦合效应这一中心问题，设计和制备具有局域耦合效应的金属/介质纳米异质结构，探索等离激元激发、局域耦合、能量传输和转换的物理机理和调控机制，掌握光在具有金属/介质纳米异质结构的半导体表面的发射机理，并利用其原理达到提高光电器件转换效率的目的。主要解决以下关键科学问题：（1）金属/介质纳米异质结构中的元激发及其局域耦合效应金属/介质纳米异质结构中的等离激元激发及其与光波的共振耦合特性；局域等离激元与传播等离激元的近场光学特性和远场光谱特征；不同维度金属/介质纳米结构中的场局域增强和约束的物理机制，传播与约束的优化与均衡；探讨增益介质(如InGaAsP，GaN)在金属孔或缝天线能量的补偿方法；磁等离极化激元的共振特性、色散性质以及场的局域化特性。（2）金属/介质纳米异质结构的设计、制备及其对局域耦合效应的调控金属/介质异质结构中非周期性、应力、微结构尺寸和缺陷对电磁特性及场耦合的影响；外场作用下材料的介电性质的变化对金属/介质纳米结构中的场耦合效应的调控机制。（3）光电转换异质结器件中表面等离激元和光的转换机理局域耦合效应对光电器件中载流子产生、传输和复合行为的影响，表面等离极化激元与激子极化激元之间的相互作用，提高内量子效率；金属/介质纳米结构对非相干光和等离激元相互转换效率的影响，提高外量子效率；实现光电器件性能的提高。2.主要研究内容针对上述关键科学问题，以高效GaN功率LED和OLED的开发为目标，围绕金属/介质纳米异质结构的设计和制备，开展金属/介质纳米异质结构中场的激发、传播、约束和耦合特性的研究，探索外场对局域耦合效应的调控机制。针对提高功率LED和OLED发光效率的应用目标，着重研究在可见光和近红外光区具有显著等离激元共振的贵金属（金、银、铜等）及典型的光学介质（玻璃、石英等）的复合体系，具体研究内容包括以下几个方面：（1）金属/介质纳米结构中元激发的基本物理性质及其与光的相互作用1）等离激元在周期结构、准周期结构以及金属/介质多层结构中的激发与约束模式的研究发展新型等离激元与极化激元的有效激发模式，探讨亚波长光学过程相关的色散特征，总结局域和非局域等离激元的基本特征与相互关联。设计和实现基于等离激元的滤波、偏振、二相色性等新型光功能器件单元的原型。2）金属/介质纳米结构中的等离激元与异常光学透射之间的物理机制研究重点研究有效实现远场入射光与近场光之间耦合的新型金属/介质纳米结构，掌握耦合模式的激励条件，实现特定波长的选择性透射增强，探讨利用增益介质实现能量补偿的方法。3）金属纳米粒子及其近距连接点阵的局域表面等离激元共振和场增强效应的研究。通过对金属纳米颗粒的点阵拓扑结构和几何参数调控，实现金属纳米粒子间2的近场耦合；研究近场耦合导致的金属纳米粒子点阵集体光学响应的演变，例如与Anderson局域化相关的表面等离激元的局域化向电子在整个点阵范围内集体响应的离域态的转变；研究在耦合等离激元的近场作用下荧光微粒、半导体量子点的发光与淬灭特征。4）磁等离激元与磁等离极化激元的研究利用磁等离激元在亚波长能量传递和传输等方面的优异性质（如：辐射损耗小、能量局域程度高），设计多种人工磁共振阵列结构，实现由磁激发形成的亚波长波导；研究磁等离激元模及其在亚波长能量传输中的辐射损耗和约束机制；研究近场耦合的磁等离激元与入射光波的相互作用；实现基于磁等离极化激元的亚波长集成。5）利用等离激元共振和人工磁共振，设计和构造亚波长的纳米微腔优化其等离激元和耦合等离激元激发的共振特性，测试其光响应特性并验证腔性质，研究纳米微腔共振对光功率器件增强发光的影响。（2）金属/介质纳米异质结构中元激发之间的耦合物理效应及其与光活性介质相互作用的研究1）光功能金属/介质纳米异质结构中激子、声子与极化激元之间的相互作用及其中的能量转换过程的研究阐明金属纳米结构表面等离激元对半导体能态密度的调制作用，及其与载流子、激子耦合的机理和对半导体光学过程的调制作用。探讨局域耦合作用对自发辐射的增强机制。研究近场耦合的表面等离激元强局域场与介质和分子的声子模的相互作用机制及其对光散射的增强效应。2）复杂金属/介质纳米异质结构中不同等离激元模式及光学模之间的相互作用的研究。重点考察金属纳米粒子点阵的局域等离激元与金属平面的传播等离激元之间的耦合，等离激元与介质光学模的耦合，等离极化激元近场对半导体量子点光学跃迁的激发模式，以及这些耦合所引起的局域增强的特征。3）表面等离极化激元与磁极化激元之间的相互作用研究根据能量传输与局域化的需要设计和优化金属/介质纳米结构，产生多种形态的人工激发形式和耦合方式，实现电磁场的传播和约束之间的均衡。4）等离激元亚波长能量传输中的耦合效应的研究在耦合的等离激元传播模中，着重对多个金属表面激发的等离激元模式之间横向耦合进行深入研究，寻找它们耦合杂化之后的有利于传播能量的新模式；对于局域等离子共振耦合形成的波导模，重点考察单个振子的共振特点以及沿着传播方向的纵向耦合方式和强度，调控和优化其色散和传播性能。（3）金属/介质纳米结构的制备及物理特性表征和调控的研究1）金属/介质纳米镶嵌结构材料和异质或多层表面调制纳米结构的制备探索如何将材料生长技术和微纳加工手段有效地结合，在低维结构的表、界面制备不同尺度、不同周期对称性的金属/介质周期调制边界结构。2）金属/介质纳米结构的物理特性调控研究研究不同金属和介质材料、不同周期结构和不同耦合模式的多层周期结构的电磁波调制效应，阐明电磁波与表面调制结构相互作用的规律；研究金属光栅与折射率光栅之间的耦合，实现光传播的共振增强/抑制；研究金属对长周期折射率光栅隐失场的影响，探索利用长周期光栅结构激发表面等离激元的可行性。拓展金属/介质结构外场调控技术研究，利用外场对材料性质的调制，实现对复合3结构中的表面等离激元的衍射和透射等物理性质的调控。3）发展时间－空间分辨能力的光谱学技术和亚波长光学显微技术建立具有时间－空间分辨能力的超快激光/磁光光谱学技术，实现对金属/介质纳米结构响应光学激发的空－时动力学的直接观察，探讨金属探针诱导表面等离激元共振增强局域场与非线性光谱测量系统的组合测量技术；建立与纳米尺度的结构测量同步的，单个纳米单元对入射光的响应及光谱进行测量的系统与方法，研究纳米结构中光的亚波长传输和耦合特性。（4）金属/介质纳米异质结构中的局域耦合在光电转换器件中的应用1）光功率器件的模拟仿真及其结构设计建立针对LED和OLED的FDTD模拟优化平台，自主开发专用的可处理非相干光源的、高阶、低色散的模拟分析方法和大容量的计算系统，应用GPU技术进行SPPs的仿真计算，对LED量子阱和金属纳米结构之间的耦合效应和光传输进行模拟及优化，实现宽频谱和三维空间的计算分析。2）金属/介质纳米异质结构在功率LED器件中的应用研究研究优化的金属/介质纳米异质结构局域耦合对蓝色功率GaNLED器件内量子发光效率的影响，掌握等离激元对激子产生、发光和光传输的调控机制;结合仿真分析结果设计和制备新型的金属/介质纳米异质结构，实现特定波长段的选择性和多方位的透射增强，达到提高LED外量子发光效率的目的;同时研究局域增强效应对LED外量子效率的影响。3）金属/介质纳米异质结构在有机光电器件中的应用研究探索局域和非局域表面等离激元对有机激子的驰豫和电荷载流子在有机材料中传输的影响，以及金属薄膜电极上不同介质周期和非周期纳米结构对OLED器件中SPP的散射与自由光场辐射的强度和色度空间分布对纳米结构的依赖关系，采用SNOM与飞秒超快光谱系统研究SPP动力学过程，金属/有机材料的界面激子的辐射与非辐射驰豫过程的动力学过程，以及SPP与激子非辐射驰豫的共振转化过程，掌握光能以及非辐射能转化成SPP的规律，研究透明电极对顶发射器件透射增强作用的影响，探索实现高效色纯度高的蓝色OLED的方法，为改善OLED器件发光性能提供实验依据和理论指导。4二、预期目标1．本项目总体目标在基础科学研究方面，阐明金属/介质纳米异质结构中的元激发、极化激元耦合的特性，总结出表面等离激元的场耦合、局域增强与传播等物理过程对金属/介质纳米体系的结构参数、不同介质特性依赖关系的一般规律。探索具有优异局域增强效应与传播特性的金属/介质纳米结构及其制备方法。建立具有时间－空间分辨能力的超快激光/磁光光谱学技术和近场光学探测系统，掌握利用结构和外场调控金属/介质纳米体系的场耦合特性的方法，实现对光传播的控制、增强和约束。在应用研究方面，发展基于金属/介质纳米异质结构的光电转换器件、等离子全光学集成芯片相关理论和技术，实现亚波长光学调制功能；研究金属/介质纳米异质结构的局域耦合效应对蓝色GaN功率LED器件转换效率的影响，制备出高效的蓝色功率LED，采用荧光粉封装后产生白光，进入照明应用领域，为节能减排做出贡献，积极与企业结合加速成果转化，达到基础研究为国民经济服务的最终目的。2．项目五年预期目标围绕提高功率LED转换效率的技术需求和节能减排工程的需要，预计经过本项目五年的研究，在金属/介质纳米结构应用方面获得具有独立自主知识产权的关键技术，为完善纳米材料科学体系框架做出重要贡献；同时为LED及其制备技术的发展提供原创性的知识和理论指导，提高我国光电产的竞争力和创新力，并建设一支具有国际先进水平的研究队伍。预期在以下几个方面取得重要进展：（1）在理论上阐明局域等离激元之间的近场耦合、等离激元与介质光学模的耦合、磁等离激元与SPP的耦合规律，以及这些耦合所引起的局域场增强特征及能量传输和转换机理，实现金属/介质纳米异质结构对光传输性质的多模式调控，使增强透射效应更具有灵活性和实用性。（2）掌握金属/介质纳米异质系统对光的调控机制，以理论研究为指导，结合计算机仿真分析技术，实现具有特定亚波长波导特性和局域场增强特性的金属/介质纳米结构的可控制备，掌握利用外场对光传播进行调控的有效方法。（3）建立具有时间－空间分辨能力的超快激光/磁光光谱学技术。实现光与表面等离激元耦合产生的波导特性与局域场的定量表征，阐明金属/介质纳米结构提高光功率器件发光效率的物理机制，探索半导体器件发光与表面等离激元的耦合机制及其表面等离激元的动力学过程，为基于金属/介质纳米体系的光电器件研究奠定基础。（4）在现有的半导体量子阱结构中引入等离激元的贡献，利用金属/介质纳米结构中的场耦合效应，提高LED的发光效率40％以上。制备出波长为455纳米的GaN蓝色功率LED，输入350mA电流时的输出功率达到400mW以上（功率效率达到40％）。在现有OLED基础上，利用金属/介质纳米结构中的场耦合效应，运用周期、准周期或无规介观结构，设计与制备高效色纯度高的蓝光OLED，实现高效的顶发射OLED，实现有无结构发光效率提高1倍以上。在产学研结合的基础上推广上述研究成果，提升我国光电产业的国际竞争力。通过五年努力，培养和造就一批高层次的研究人才，形成2-3个在相关领域有国际影响的研究团队；获1-2项国家奖励；在高质量的期刊上发表100篇学术5论文，申请发明专利15项左右，在国际学术会议上作大会报告及大会邀请报告5人次。通过吸收青年教师及研究生参加本项目的研究，培养一批青年人才，在项目实施期间培养博士60名以上。6三、研究方案1．项目的研究思路和项目的技术路线及可行性（1）本项目的研究思路根据国内外近年来的研究趋势和国家节能减排的重大需求，本项目组织联合南京大学、中科院物理所、山东大学和北京大学四家单位承担任务，充分利用南京大学、物理所在基础研究方面的优势开展光传播相关的基础研究和北京大学、山东大学在器件制备及其产业化方面的长处，瞄准金属/介质纳米结构中光传播的新现象和新规律，将蓝色GaN功率LED和有机LED器件设计和制备、测试和表征、理论分析和物理模型等有机结合起来，