基于金属纳米颗粒局域表面等离激元效应增强白光led降频转换效率的研究

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1、分类号TK512密级公开UDC621.3学校代码10500硕士学位论文(全日制专业学位)题目：基于金属纳米颗粒局域表面等离激元效应增强白光LED降频转换效率的研究英文题目：EfficiencyColorDown-ConversionofWLEDsbyLocalizedSurfacePlasmons(LSPs)ofMetalNanoparticles学位申请人姓名：李珊申请学位学科专业：电气工程指导教师姓名：刘凌云二○一六年六月分类号TK512密级公开UDC621.3学校代码10500硕士学位论文题目基于金属纳米颗粒局域表面等离激元效应增强白光LED降频转换效率的研究英

2、文题目EfficiencyColorDown-ConversionofWLEDsbyLocalizedSurfacePlasmons(LSPs)ofMetalNanoparticles研究生姓名(签名)指导教师姓名(签名)职称申请学位学科名称电气工程学科代码085207论文答辩日期学位授予日期学院负责人(签名)评阅人姓名评阅人姓名年月日学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的

3、个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要近年来，金属纳米技术和制备工艺飞速发展，表面等离激元(SPPs)再次掀起研究热潮。利用局域表面等离激元(LSPs)共振效应

4、增强电致发光器件（LEDs）的整体性能具有巨大的潜能。目前市场上的白光LEDs主要是利用短波长Ⅲ-Ⅴ族氮化物LEDs激发荧光粉得到。由于荧光粉降频转换过程存在多种能量损失机制，导致其平均转换效率只有150lm/W左右，远远低于理论最高值350lm/W。与传统的荧光粉比较，利用LED+发光聚合物通过降频转换得到白光LEDs的途径的一个主要优势是可以通过无机、有机之间的非辐射能量转移实现比常规光吸收再发射过程更高的转换效率，但是在实际的器件中很难实现这种短程的能量转移过程。本论文提出一个独特的氮化物多量子阱LED/Ag纳米颗粒/有机发光聚合物（F8BT）的混合结构，利用纳

5、米颗粒上局域表面等离激元场的较大穿透深度，将相距较远的多量子阱和有机分子耦合相连。LSP介导的从多量子阱到F8BT的快速非辐射能量转移过程将有效地增强多量子阱的发光效率和聚合物的吸收效率，从而实现高效的降频转换。主要工作归纳为以下四个部分：首先，基于Mie理论，数值计算金属纳米颗粒的电磁散射吸收效率，研究球形金属纳米颗粒的材料、尺寸、边界以及周围媒质材料的介电常数对局域表面等离激元共振强度和波长的影响。计算结果表明LSPs的共振强度和共振峰的位置以及共振波长与球形金属纳米颗粒的材料成分、颗粒尺寸、边界效应和周围介质环境有着密切的联系。通过改变这四个参数可以对LSPs共

6、振进行调控，获得最佳的散射效率和相对较小的吸收损耗。其次，当Ag纳米颗粒置于GaN媒质中时，可基于Mie理论求解其产生的表面等离激元的散射和消光效应。由于SPP的共振强度与颗粒的尺寸相关，故改变颗粒大小可移动共振峰位。计算发现直径13nm的Ag纳米球对应的SPP共振峰位于纯蓝光470nm，因此可实现与蓝光量子阱的强耦合及其之间的能量转移。然后，简化器件结构为GaN-Ag-F8BT模型，运用CST仿真软件模拟Ag纳米颗粒发生SPP共振时的近场增强效应以及SPP的介入对光能量在GaN/F8BT两种媒质中的分布的影响。仿真结果显示：Ag纳米球发生SPP共振时对周围媒质的电场

7、增强效果明显；对比没有放置Ag纳米颗粒的模型、单一颗粒模型以及3×3周期颗粒模型三者发现，由于Ag纳米球LSPs的介导，光能量被大部分散射到介电常数较小的F8BT中。当纳米球之间的间距为8nm时，光散射到F8BT层中的程度I最大，其比例为68%。因而可以极大地增强F8BT的能量吸收和发光效率。最后，由于理论计算得到的13nm的Ag纳米颗粒很难通过简单的微加工得到，所以制备了合适的Ag-Au合金纳米球来替代。随后在蓝光InGaN/GaNLED芯片上成功制备了蓝光LED/Ag/F8BT混合结构，得了高质量的白光发射，并测得光激发导致的降频转换效率为18%