SiO2纳米颗粒在光学器件上的应用

摘要

SiO2纳米颗粒由于其优越的光学性能，其阵列结构在光学领域具有广泛的应用。我们利用St(o)ber法制备了SiO2胶体粒子，并且利用静电自组装技术将SiO2胶体粒子组装到不同的光学器件上。静电自组装技术是组装带电粒子的一种有效方法，操作简单，设备要求低，成本低廉。本文基于SiO2纳米颗粒的光学性质，研究了SiO2纳米颗粒在太阳能减反射膜和提高GaN基LED出光效率上的应用。
　　 严格耦合波理论(Rigorous Coupled-Wave Analysis RCWA)常常用来分析表面微结构的反射和衍射行为，但是RCWA算法复杂，计算耗时。本文提出了一种基于薄膜特征矩阵( Thin Film Characteristic Matrix)的改进算法用来计算微结构的反射率。实验证明，对于相同的结构，TFCM的计算结果与RCWA结果吻合较好。本文同时说明了TFCM法的适用情况。
　　 本文提出了一种基于提拉法制备的宽带减反膜的新结构。该膜系包括玻璃衬底、溶胶凝胶法制备的SiO2薄膜基本层、SiO2纳米颗粒层以及较薄的SiO2交联薄膜层。该膜系的折射率沿衬底到空气方向递减，且厚度匹配，能在400-1400nm波长范围内实现较好的减反效果。由于使用了SiO2纳米颗粒，该膜系在大角度入射时也具有良好的减反功能。同时该方法易于制备大面积薄膜，其最外层的SiO2薄膜还可有效提高整个膜系的机械性能与牢固度。
　　 通过提拉法在蓝宝石衬底表面静电自组装单层SiO2纳米球，得到纳米球非紧密排列的类似图形衬底的微观结构，该结构的制备与后续外延工艺独立。器件经封装后，测得在纳米球图形衬底上获得的LED芯片其光通量比未加图形化衬底的传统LED提高57％，光输出功率提高了17.8％。实验证明，SiO2纳米颗粒阵列不仅能够提供区域化生长的模板，有效减少外延层的位错密度，而且能够通过粗化衬底表面增加光线逸出的几率，从而有效地提高了出光效率。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 微纳结构及微纳技术

1.2 二维胶体晶体

1.3 SiO2纳米颗粒的应用

1.4 本论文的研究内容

参考文献

2 光学理论计算

2.1 薄膜特征矩阵

2.2 严格耦合波分析理论

2.3 两种方法的比较

参考文献

3 材料与制备工艺

3.1 化学材料与实验设备

3.1.1 化学试剂

3.1.2 实验设备

3.1.3 测试设备

3.2 St(?)ber方法制备SiO2纳米颗粒

3.3 衬底清洗

3.4 薄膜制备工艺

3.4.1 溶胶凝胶(sol-gel)法

3.4.2 静电自组装工艺

参考文献

4 SiO2纳米颗粒制备宽波段大角度减反膜

4.1 减反射膜概述

4.1.1 减反射膜的应用

4.1.2 减反射膜的原理

4.1.3 减反射膜设计方案

4.2 光学常数拟合

4.3 玻璃基减反射膜的制备与测试

4.4 硅基减反射膜的制备与测试

参考文献

5 SiO2纳米颗粒阵列提高GaN基LED出光效率

5.1 引言

5.2 LED发光原理及提高光效解决方案

5.2.1 LED的基本结构与发光原理

5.2.2 发光效率

5.2.3 提高LED出光效率的方法

5.3 实验结果与讨论

参考文献

6 结论与展望

硕士期间取得成果