一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，在具有二維周期排列圓孔的低折射率材料基底表面旋涂一層高折射率材料，并在豎直方向上等間距級聯(lián)四層上述結(jié)構(gòu)，層間與下三層的圓孔部分由低折射率材料填充，頂層圓孔為空氣孔。通過優(yōu)化孔深、高折射率材料層厚度以及層間距，可實現(xiàn)光子晶體泄漏模式與量子點光吸收和熒光發(fā)射在波長上高效耦合。將量子點嵌入光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)頂層泄漏模式處可以提高量子點的光吸收和熒光提取效率，從而提高量子點傳感器的靈敏度及發(fā)光器件的遠場發(fā)射效率。利用本發(fā)明，解決了傳統(tǒng)光耦合結(jié)構(gòu)不能在兩個發(fā)射波長范圍內(nèi)提高雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點的遠場發(fā)射效率的問題。
【專利說明】一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，特別是一種實現(xiàn)光子晶體泄漏模式與量子點光吸收和熒光發(fā)射在波長上高效耦合，以提高雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]膠體量子點由于具有量子效率高和光穩(wěn)定性好等特性，在LED、熒光生物探針、醫(yī)藥化學傳感、溫度傳感等方面被廣泛應(yīng)用。科研人員已經(jīng)對單熒光峰的量子點的發(fā)光強度和波長進行了詳細的研究。近來，雙熒光峰量子點(如錳摻雜的膠體量子點=ZrvxMnxSe/
引起了科學家們的極大關(guān)注(文獻 I，V.A.Vlaskin,N.Janssen, J.van Rijssel，R.Beaulac and D.R.Gamelinj Tunable Dual Emissionin Doped Semiconductor Nanocrystals, Nano Letters, 2010， 10 (9)， 3670-3674;文獻 2，T.Chen, Y.Huj Y.Cenj X.Chuj Y.Lu，A Dual-Emission FluorescentNanocomplex of Gold-Cluster-Decorated Silica Particles for Live Cell Imagingof Highly Reactive Oxygen Species, Journal of the American Chemical Society,2013，135，11595-11602.)。研究表明:雙熒光峰量子點的兩個發(fā)射峰強度和中心波長會隨著溫度或化學吸附向相反的方向移動，不受其他環(huán)境因素的影響。上述特性使得雙熒光峰量子點在熒光生物探針、醫(yī)藥化學傳感、溫度傳感等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]在實際應(yīng)用中，量子點熒光高效的遠場發(fā)射效率可以保證量子點傳感器高的信噪t匕，從而可以提高量子點傳感器的靈敏度和分辨率(文獻3，N.Ganesh, 1.D.Block, P.C.Mathias, ff.Zhang, E.Chow, V.Malyarchuk, and B.T.C unningham, Leaky-modeassisted fluorescence extraction: application to fluorescence enhancementbiosensors, Optics Express, 2008, 16, 21626-21640.)。量子點的突光在一定程度上可以通過增強激發(fā)光功率和增加量子點的濃度來增強，但由于光路有限，光和量子點之間的相互作用有限，激發(fā)光吸收不充分，并且熒光會很快發(fā)散，導致遠場熒光強度極低。所以科研人員提出了各種光耦合結(jié)構(gòu)，例如表面等離激元結(jié)構(gòu)和光子晶體耦合結(jié)構(gòu)，來增強膠體量子點的熒光激發(fā)和提取:表面等離激元結(jié)構(gòu)會導致很大的能量損失，并在某些情況下會導致量子點熒光淬滅；但光子晶體是通過增強量子點與激發(fā)光相互作用以及增強量子點熒光發(fā)射的提取效率相結(jié)合來增強量子點的熒光發(fā)射，并且不會導致量子點淬滅和能量損失。所以，光子晶體結(jié)構(gòu)在增強膠體量子點的激發(fā)和熒光提取方面表現(xiàn)出顯著的光學特性。
[0004]激發(fā)的光子晶體泄漏模式使光子晶體表面的電磁場顯著增強，從而提高量子點的激發(fā)。通過具有特定波長和入射(或發(fā)射)角的入射(或發(fā)射)光來激發(fā)光子晶體的泄漏模式可以將熒光輸出與自由空間傳播的波相耦合。因此，可通過設(shè)計光子晶體結(jié)構(gòu)使其在所需波長和發(fā)射角處有效的激發(fā)和提取量子點熒光，以增強量子點的遠場發(fā)射效率。對于大多數(shù)基于膠體量子點的傳感器(如溫度和生物成像探針)而言，目標內(nèi)量子點熒光發(fā)射在豎直方向的收集有利于使測量結(jié)果的分辨率更高，因此優(yōu)化光子晶體的豎直方向泄漏模式具有重要價值。與一維光子晶體相比，二維光子晶體可以更好地在豎直方向?qū)⑿孤┠Ｊ脚c發(fā)射的熒光進行耦合。但是傳統(tǒng)的單層光子晶體結(jié)構(gòu)只能增強單熒光峰量子點的熒光強度(文獻4,N.Ganesh, ff.Zhang, P.C.Mathias, E.Chow, J.Soares, V.Malyarchuk,A.D.Smith and B.T.Cunningham, Enhanced fluorescence emission from quantumdots on a photonic crystal surface, Nature Nanotechnology, 2007, 2, 515-520 ；文獻 5, H.-Y.ffu, ff.Zhang, P.C.Mathias and B.T.Cunningham, Magnificationof photonic crystal fluorescence enhancement via TM resonance excitation andTE resonance extraction on a dielectric nanorod surface, Nanotechnology, 2010,21，125203.)。
[0005]現(xiàn)有公開文獻利用級聯(lián)的二維光子晶體結(jié)構(gòu)來提高雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點的遠場發(fā)射效率還未見報道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]基于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠在寬波長范圍內(nèi)提高雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點的遠場發(fā)射效率，以解決普通一維光子晶體或單層二維光子晶體結(jié)構(gòu)不能較好提高膠體量子點在兩個發(fā)射波長范圍內(nèi)遠場突光發(fā)射效率的問題。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提出一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括低折射率材料和高折射率材料，其特征在于:
以所述低折射率材料為基底，并在低折射率材料基底上開設(shè)有具有二維周期排列的、圓孔深度小于低折射率 材料基底厚度的圓孔結(jié)構(gòu)；
在所述圓孔結(jié)構(gòu)及其表面層涂覆有一層高折射率材料，形成單層光子晶體結(jié)構(gòu)；
在豎直方向上級聯(lián)N層所述單層光子晶體結(jié)構(gòu)，并用低折射率材料填充內(nèi)部圓孔形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)；
以所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)的頂層圓孔為空氣孔，將量子點嵌入所述頂層高折射率材料層和空氣孔中。
[0008]進一步地，附加技術(shù)方案如下。
[0009]所述量子點是雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點。
[0010]所述雙熒光峰量子點是ZrvxMnxSeAnCdSe'Zn^MnxSe/ZnS/CdS/ZnS和青霉胺包覆錳摻雜CdSSe/ZnS量子點中的一種。
[0011]所述發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點是InP/ZnS、CdSeS/ZnS、CdSe/ZnS和CdSe/CdS/ZnS量子點中的一種或幾種。
[0012]所述低折射率材料是SiO2,高折射率材料是TiO2。
[0013]所述二維周期排列是四方晶格排列，其晶格常數(shù)是300 nm。
[0014]所述圓孔半徑是90nm，深度是llOnm。
[0015]所述高折射率材料層厚是180nm。
[0016]所述級聯(lián)N層的N=4。
[0017]所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)的層間距是350 nm+200nmXK，其中K是自然數(shù)。
[0018]實現(xiàn)上述本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其直接帶來的和必然產(chǎn)生的優(yōu)點與積極效果如下。
[0019]本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，光子晶體高品質(zhì)因子的泄漏模式使光子晶體表面的電磁場顯著增強，從而提高了光子晶體表面量子點的激發(fā)，同時低品質(zhì)因子的泄漏模式可以有效地將量子點近場的熒光耦合到遠場。
[0020]本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，與一維光子晶體相比，二維光子晶體能夠更好地將泄漏模式與豎直方向發(fā)射的熒光進行耦合，從而提高了量子點豎直方向發(fā)光的提取效率。量子點在豎直方向的熒光增強在提高傳感器的分辨率方面起著至關(guān)重要的作用。
[0021]本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，與單層二維光子晶體結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明四層的二維光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠在兩個發(fā)射波長范圍增強雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點的遠場發(fā)射效率，可提高基于上述量子點傳感器的靈敏度和信噪比。
[0022]本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以提高多種量子點傳感器的靈敏度及發(fā)光器件的遠場發(fā)射效率，表面近場泄漏模式增強能夠提高表面量子點的遠場發(fā)射效率，適用于生物、醫(yī)藥、化學傳感；TiO2層泄漏模式增強能夠提高嵌入到TiO2層的量子點的遠場發(fā)射效率，適用于LED或溫度傳感等。
[0023]本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，增強雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點在不同波長范圍的遠場發(fā)射效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明提供的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中3X3周期的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)中3X3周期的頂層截面的結(jié)構(gòu)示意圖，黑色為高折射材料，白色為空氣，圓孔直徑d=180nm，晶格常數(shù)P=300nm。
[0026]圖3是本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)中3X3周期的側(cè)面截面的結(jié)構(gòu)示意圖，黑色為高折射材料，灰色為低折射材料，白色為空氣，孔深h=110nm,高折射材料厚度t=180nm。
[0027]圖4是本發(fā)明提供的四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中3X3周期的側(cè)面截面的結(jié)構(gòu)示意圖，黑色為高折射材料，灰色為低折射材料，白色為空氣，層間距L=350nm。
[0028]圖5是在波長λ =495nm、λ =607nm處,本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)反射率隨TiO2的厚度t和孔的深度h變化規(guī)律。
[0029]圖6是層間距L從IlOnm增加到IOOOnm時，本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的反射
-1'TfeP曰。
[0030]圖7 (a)-(e)是本發(fā)明分別從單層光子晶體到五層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的反射譜。
[0031]圖8是本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)在激發(fā)波長λ =416nm處泄漏模式的近場分布圖。
[0032]圖9是本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)在激發(fā)波長λ =416nm處泄漏模式的近場分布圖。
[0033]圖10是本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ=515ηπι處泄漏模式的近場分布圖。
[0034]圖11是本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ =515nm處泄漏模式的近場分布圖。
[0035]圖12是本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ=620ηπι處泄漏模式的近場分布圖。
[0036]圖13是本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ=620ηπι處泄漏模式的近場分布圖。
[0037]圖14是本發(fā)明SiO2表面、單層光子晶體和四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的空氣孔中泄漏模式處激發(fā)場強E2隨時間的變化圖(激發(fā)光中心波長λ =416nm,半高寬=2.5nm)。
[0038]圖15是本發(fā)明SiO2表面、單層光子晶體和四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的空氣孔中泄漏模式處量子點在z方向發(fā)射的熒光能量隨時間變化圖(熒光中心波長λ=612ηπι，半高寬=Ilnm),平面能量探測器在ζ=8 μ m處。
[0039]圖16是本發(fā)明SiO2表面量子點熒光強度E2在SiO2表面上方的空間分布隨時間的變化圖(熒光中心波長λ=612ηπι，半高寬=llnm)。
[0040]圖17是本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)空氣孔中泄漏模式處量子點熒光強度E2在光子晶體結(jié)構(gòu)表面上方的空間分布隨時間的變化圖(熒光中心波長λ =612nm，半高寬=llnm)。
[0041]圖18是量子點在本發(fā)明SiO2表面，λ =620nm突光發(fā)射I米遠處的遠場分布圖。
[0042]圖19是量子點在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)的空氣孔中，λ=620ηπι熒光發(fā)射I米遠處的遠場分布圖。
[0043]圖20是量子點在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的空氣孔中，λ =620nm熒光發(fā)射I米遠處的遠場分布圖。
[0044]圖21是量子點在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)的TiO2中，λ =620nm熒光發(fā)射I米遠處的遠場分布圖。
[0045]圖22是量子點在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)頂層的TiO2中，λ =620nm熒光發(fā)射I米遠處的遠場分布圖。
[0046]圖23是P偏振光在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。
[0047]圖24是s偏振光在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。
[0048]圖25是P偏振光在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。
[0049]圖26是s偏振光在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。
【具體實施方式】
[0050]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及效果更加清楚，以下結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進一步的說明。
[0051]光子晶體是通過增強量子點的激發(fā)與增強量子點發(fā)射的提取效率相結(jié)合來增強量子點的熒光發(fā)射。通過入射光的激發(fā)，光子晶體的泄漏模式使光子晶體表面的電磁場顯著增強，從而增強了嵌入光子晶體的量子點的激發(fā)；二維光子晶體可以更好地將泄漏模式與豎直方向發(fā)射的熒光進行耦合，從而提高了雙熒光量子點豎直方向熒光的提?。恢档米⒁獾氖?高品質(zhì)因子的泄漏模式可以提高量子點的光吸收效率，而低品質(zhì)因子的泄漏模式可以提高量子點熒光的提取效率。本發(fā)明設(shè)計的級聯(lián)結(jié)構(gòu)可以提供高品質(zhì)因子的激發(fā)波長泄漏模式，同時提供低品質(zhì)因子的熒光發(fā)射波長的泄漏模式，在更寬的兩個發(fā)射波長范圍增強發(fā)射，使熒光的遠場收集得到增強。因此通過設(shè)計二維光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以提高基于雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點的多種傳感器的靈敏度及發(fā)光器件的發(fā)光亮度。表面近場泄漏模式增強可以提高表面量子點的熒光發(fā)射，適用于生物、醫(yī)藥、化學傳感JiO2層泄漏模式增強可以提高嵌入到TiO2層的量子點的熒光發(fā)射，適用于LED或溫度傳感等。
[0052]本發(fā)明所提供的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，如附圖1所示，采用低折射率材料和高折射率材料，以3X3周期為例，其構(gòu)成在于:以所述低折射率材料為基底，并在低折射率材料基底上開設(shè)有具有二維周期排列的、圓孔深度小于低折射率材料基底厚度的圓孔結(jié)構(gòu)；在所述圓孔結(jié)構(gòu)及其表面層涂覆有一層高折射率材料，形成單層光子晶體結(jié)構(gòu)；在豎直方向上級聯(lián)N層所述單層光子晶體結(jié)構(gòu)，并用低折射率材料填充內(nèi)部圓孔形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)；以所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)的頂層圓孔為空氣孔，將量子點嵌入所述頂層高折射率材料層和空氣孔中。
[0053]其中，本發(fā)明所述量子點是雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點；所述雙熒光峰量子點是ZrvxMnxSeZZnCdSe、Zni_xMnxSe/ZnS/ CdS/ZnS和青霉胺包覆錳摻雜CdSSe/ZnS等量子點中的一種；所述發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點是InP/ZnS、CdSeS/ZnS、CdSe/ZnS、CdSe/CdS/ZnS等量子點中的一種或幾種；所述低折射率材料采用的是SiO2,高折射率材料采用的是TiO2 ;所述二維周期排列是四方晶格排列，其晶格常數(shù)是300 nm ;所述圓孔的半徑是90nm,深度是IlOnm ;所述高折射率材料的層厚度為180nm ;所述級聯(lián)N層的N=4 ;所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)的層間距是350 nm+200nmXK，其中K是自然數(shù)。
[0054]如附圖2、附圖3所示，本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)是一種亞波長結(jié)構(gòu)，可以選SiO2(折射率n=l.46)作為該結(jié)構(gòu)的背景襯底，通過電子束光刻的方法來實現(xiàn)二維四方晶格排列的圓孔，然后在成形的基底上涂覆TiO2 (n=2.46)薄膜。級聯(lián)四層上述結(jié)構(gòu)，形成附圖4所示的二維光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)。量子點雙熒光峰的位置可以通過改變生長過程中量子點的尺寸和摻雜來調(diào)整。以兩個典型的雙熒光峰λ =495nm和λ =607nm為例，在其他參數(shù)保持不變的條件下，可通過調(diào)整和優(yōu)化的上述結(jié)構(gòu)中洞的深度h和TiO2薄膜的厚度t，來設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)在波長λ=495ηπι和λ =607nm處激發(fā)泄漏模式的單層光子晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻報道，泄漏模式的激發(fā)可以被對應(yīng)波長的全反射特性很好地反映出來。附圖5到附圖7為嚴格耦合波分析(RCWA)結(jié)果。按照附圖5所示反射率，選取孔深度為110nm，Ti02層的厚度為180nm。依據(jù)附圖6所示，隨著層間距L變化，本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的反射譜也在變化。當L為350nm、550nm、750nm、950nm等時，在兩個寬波長范圍內(nèi)反射率為I。本發(fā)明實施例選取層間距為350nm。
[0055]附圖7為波長在400nm-700nm范圍內(nèi)，本發(fā)明單層(N=I)至五層(N=5)光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的反射譜。當N=I時,可以看出個別反射峰分布在440nm, 488nm, 495nm, 58Inm和607nm處，這對于多波長范圍的量子點熒光的提取無意義。但是隨著N的增加，會出現(xiàn)更多近場的疊加、各層光子晶體之間的模式耦合以及相干散射現(xiàn)象。因此，與本發(fā)明單層結(jié)構(gòu)相t匕，本發(fā)明級聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更多更強的泄漏模式。特別是當N=4時，多個泄漏模式的結(jié)合可以在485-520nm和580_625nm兩個波長范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦的寬帶(低品質(zhì)因子)全反射，可覆蓋兩個寬帶熒光發(fā)射峰的位置，尤其對基于熒光峰波長移動的傳感器意義重大。同時，更窄的峰(高品質(zhì)因子)出現(xiàn)在更短的波長處(此處的窄帶峰值波長λ=416ηπι)，可用作激發(fā)波長。當N=5時，出現(xiàn)更多的共振模式，破壞了兩個波長范圍內(nèi)的全反射特性，不利于熒光在豎直方向的提取。
[0056]附圖8到附圖13為嚴格耦合波分析(RCWA)結(jié)果。激發(fā)光以λ =416nm為例，發(fā)射光以λ =515nm和λ =620nm為例。附圖8為本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)在激發(fā)波長λ =416nm處泄漏模式的近場分布圖。附圖9為本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)在激發(fā)波長λ =416nm處泄漏模式的近場分布圖。附圖10為本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ=515ηπι處泄漏模式的近場分布圖。附圖11為本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ =515nm處泄漏模式的近場分布圖。附圖12為本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ=620ηπι處泄漏模式的近場分布圖。附圖13為本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)在發(fā)射波長λ=620ηπι處泄漏模式的近場分布圖。對比附圖8到附圖13結(jié)果表明:本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，激發(fā)波長泄漏模式和上述兩個發(fā)射波長處的泄漏模式都比單層光子晶體強，并且在空間上都分布在級聯(lián)光子晶體頂層表面附近和TiO2層，將量子點放在此四層級聯(lián)結(jié)構(gòu)頂層的表面或TiO2層泄漏模式處，均可以大幅度提高遠場發(fā)射效率。
[0057]附圖14到附圖22為時域有限差分法(FDTD)模擬的結(jié)果。
[0058]附圖14為本發(fā)明SiO2表面、單層光子晶體和本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的空氣孔中泄漏模式處激發(fā)場強E2隨時間的變化圖(激發(fā)光中心波長λ=416ηπι，半高寬=2.5nm)，可以看出:本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的激發(fā)場強明顯大于另外兩種結(jié)構(gòu)，電場振蕩時間也增加了，有利于光與量子點的相互作用。
[0059]附圖15為本發(fā)明SiO2表面、單層光子晶體和本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的空氣孔中泄漏模式處量子點在z方向發(fā)射的熒光能量隨時間變化圖(熒光中心波長λ=612ηπι，半高寬=llnm)，可以看出:與本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的量子點熒光遠場收集能量更大，衰減時間更長，有利于提高豎直方向遠場發(fā)射效率。
[0060]附圖16為本發(fā)明SiO2表面量子點熒光強度E2在SiO2表面上方的空間分布隨時間的變化圖(熒光中心波長λ =612nm,半高寬=llnm)。附圖17為本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)空氣孔中泄漏模式處量子點熒光強度E2在光子晶體結(jié)構(gòu)表面上方的空間分布隨時間的變化圖(熒光中心波長λ =612nm,半高寬=llnm)。對比附圖16和附圖17可以看出:與本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的場強無論在近場區(qū)域還是遠場區(qū)域，E2都可以保持較長時間，從而使量子點豎直方向遠場發(fā)射效率增強。
[0061]附圖18為量子點在本發(fā)明SiO2表面，λ =620nm突光發(fā)射的遠場分布圖。附圖19為量子點在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)的空氣孔中，λ =620nm熒光發(fā)射的遠場分布圖。附圖20為量子點在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)的空氣孔中，λ=620ηπι熒光發(fā)射的遠場分布圖。附圖21為量子點在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)的TiO2中，λ=620ηπι熒光發(fā)射的遠場分布圖。附圖22為量子點在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)頂層的TiO2中，λ=620ηπι熒光發(fā)射的遠場分布圖。對比附圖18到附圖22結(jié)果表明:當引入光子晶體結(jié)構(gòu)后，量子點的遠場熒光發(fā)射有很大的增強，尤 其在與豎直方向的夾角Θ ^20°的區(qū)域內(nèi)。與單層光子晶體結(jié)構(gòu)相比，無論量子點是在頂層空氣孔中還是TiO2層中，本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)均可提高量子點在Θ ( 10°區(qū)域內(nèi)的遠場發(fā)射效率。
[0062]附圖23到附圖26為嚴格耦合波分析(RCWA)結(jié)果。附圖23為ρ偏振光在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。附圖24為s偏振光在本發(fā)明單層光子晶體結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。附圖25為ρ偏振光在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。附圖26為s偏振光在本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)中反射率隨波長和角度的變化。對比附圖23到附圖26可以看出:與本發(fā)明單層光子晶體相比，本發(fā)明四層光子晶體級聯(lián)可以在更寬的波長范圍以及更大的角度區(qū)域內(nèi)增強量子點的遠場發(fā)射效率，有利于提高LED等發(fā)光器件的大角度出光效率。
[0063]以上實施例充分證明了本發(fā)明的四層光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的一層光子晶體結(jié)構(gòu)相比，可以更好地提高雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點的遠場發(fā)射效率。
[0064]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步的說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之上，所做的任何修改、等同替換、改進等、均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括低折射率材料和高折射率材料，其特征在于: 以所述低折射率材料為基底，并在低折射率材料基底上開設(shè)有具有二維周期排列的、圓孔深度小于低折射率材料基底厚度的圓孔結(jié)構(gòu)； 在所述圓孔結(jié)構(gòu)及其表面層涂覆有一層高折射率材料，形成單層光子晶體結(jié)構(gòu)； 在豎直方向上級聯(lián)N層所述單層光子晶體結(jié)構(gòu)，并用低折射率材料填充內(nèi)部圓孔形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)； 以所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)的頂層圓孔為空氣孔，將量子點嵌入所述頂層高折射率材料層和空氣孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述量子點是雙熒光峰量子點或發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述雙熒光峰量子點是ZrvxMnxSeZZnCdSe、Zni_xMnxSe/ZnS/CdS/ZnS和青霉胺包覆錳摻雜CdSSe/ZnS量子點中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述發(fā)光波長不同的單熒光峰量子點是InP/ZnS、CdSeS/ZnS、CdSe/ZnS和CdSe/CdS/ZnS量子點中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述低折射率材料是SiO2,高折射率材料是Ti02。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述二維周期排列是四方晶格排列，其晶格常數(shù)是300 nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述圓孔半徑是90nm,深度是llOnm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述聞?wù)凵渎什牧蠈雍袷?80nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述級聯(lián)N層的N=4。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的一種提高量子點遠場發(fā)射效率的光子晶體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)的層間距是350nm+200nmXK，其中K是自然數(shù)。
【文檔編號】G02B1/00GK103869389SQ201410136531
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】陳智輝, 喬娜, 武建加, 楊毅彪, 費宏明, 王云才 申請人:太原理工大學