摘要
近年来，金属局域表面等离子激元共振（LSPR）被证明是提高半导体材料发光效率的有效方法。当半导体中激子/光子的能量与金属局域表面电子振动能相似时，能量将与局域表面等离子激元（LSP）耦合，辐射到自由空间中。本文通过理论模拟对LSPR耦合效应进行研究分析，并利用金属纳米颗粒修饰半导体材料，实现其光致发光（PL）增强，主要研究如下： （1）采用时域有限差分法（FDTD）数值模拟不同金属形状的局域场增强效果。研究证明椭球形纳米颗粒相比于立方体、圆柱体和三角棱柱，Purcell增强因子提高了近3.5倍；此外，模拟椭球形、双球型和双核壳球型纳米颗粒的长轴L、短轴R、环境材料折射率n和光源距离d等变量对增强因子的影响，实现不同程度光场增强及共振波长可调谐。 （2）通过理论和实验分别利用Au纳米颗粒LSPR耦合效应，实现GaAs薄膜的近场发光增强。经过理论计算Au纳米颗粒的吸收光谱及电场分布，研究分析共振耦合频率与Au颗粒尺寸之间的关系。在此基础上，通过调控磁控溅射时间的方式在GaAs薄膜表面制备不同尺寸的Au颗粒，实现近10倍的PL增强。 （3）从理论和实验上分别利用金属纳米颗粒LSPR耦合效应，实现ZnO纳米线的近场发光增强。理论构建ZnO微腔光学模型，利用Ag颗粒对微腔六个面进行修饰，实现局域光场增强，并将光场限制效率提高了6.72%。在此基础上，用制备的Au、Ag纳米溶胶对ZnO纳米线的表面进行修饰，分别实现紫外本征复合的发光增强以及可见缺陷发光的抑制。 （4）通过水热合成制备铜镓氧（CuGaO2,CGO）纳米片，并成功制备CGO纳米片/ZnO纳米线异质结结构。通过PL测试得到位于392.32nm处的紫外发光，与纯ZnO的PL光谱相比，紫外发光峰出现红移及光谱展宽（近2.5倍）等现象。此外，研究发现p-n结之间内建电场可以产生次带隙吸收效应。这项研究为实现金属纳米颗粒共振耦合增强ZnO基光电器件紫外发光效率提供了一种高性能的p型材料。
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