等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及纳米光子学领域，具体设及一种等离子体器件的光电转换效率多尺度 建模和检测方法。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体光子学（Plasmonics)是将表面等离子体技术应用到光子学领域而 在近年来迅速发展起来的一口新学科，它是构成纳米光子学的最重要部分。表面等离子体 光子学包含非常广泛的应用，例如电场增强、表面增强光谱、增强的光透射、表面等离子体 纳米波导、太阳能电池板、表面等离子体共振传感器、表面增强的能量转移及选择性光吸收 等等。
[0003] 表面等离子体是沿着导体表面传播的波，当改变金属表面结构时，表面等离子体 激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs)的性质、色散关系、激发模式、禪合效应等都将 产生重大的变化。通过表面等离子体激元与光场之间相互作用，能够实现对光传播的主动 操控。1956年，DavidPines从理论上描述了快电子通过金属时的特征能量损耗，并将此损 耗归因于金属中自由电子的集体振荡。类比于之前发展的气体放电的等离子体振荡，他将 此振荡称之为等离子体。1968年，实现了在金属薄膜表面用光激发产生表面等离子体，在该 种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。表面等离子体 激发能够产生非常特殊的光电性质，可W产生很强的局域电场，能够使得拉曼散射（S邸S， 光子与分子振动的能量交换）增强=个量级W上。
[0004] 然而，由于表面等离子体激元相关实验的时间和空间复杂度，限制了我们对当中 电子与光子相互作用的研究，理论模拟和探索相关的特性因此变得非常重要。但传统的计 算方法主要是基于经典电动力学，很多时候表面等离子体激元设及到跨尺度的问题，例如 表面增强光谱，其中体系里光敏感部分包括从纳米到微米尺度，传统的经典电动力学难W 描述在纳米尺度下的各种特性。另外，虽然量子力学方法能够描述微观体系，但受到计算资 源的局限，量子力学方法难W对微米尺度体系进行模拟。在表面等离子体激元的研究中如 何更精确进行建模和模拟计算，并使等离子体器件的架构和性能更优化已经成为目前一个 亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 针对现有表面等离子体激元建模和模拟计算所存在的问题，本发明的目的是提供 一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法。该光电转换效率多尺度建模和 检测方法把等离子体器件划分成量子区域和经典区域，其中表面等离子体激元的激发过程 是通过经典的电动力学方法描述，而由表面等离子体激元引起的电场增强效应将会在量子 区域里考虑，即利用经典电动力学模拟等离子体激元的光散射，而光电转换过程则利用量 子力学来进行，并且两个区域的讯息将通过界面处的边界条件来交换的多尺度检测方法。
[0006] 为达到W上目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其中所述等离子器件 包括衬底、位于衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的半导体组件和第二电极、W及夹 设在所述半导体组件和所述第二电极之间的金属纳米颗粒层，其中所述半导体组件包括位 于其中屯、位置的第一半导体和包围所述第一半导体的第二半导体，所述多尺度建模和检测 方法包括W下步骤：
[000引①进行所述多尺度建模，将所述等离子体器件划分为量子区域和经典区域，其中 所述量子区域包括第一半导体，所述经典区域包括衬底、金属纳米颗粒层、W及由第一电 极、第二电极和第二半导体构成的经典导电区域；对所述等离子体器件划分成=维网格； 在所述量子区域建立原子模型；
[0009] ②对所述第一电极和第二电极施加偏压，并通过入射光激发金属纳米颗粒层的等 离子体激元；对所述经典区域中进行经典电动力学计算，获得所述量子区域经所述金属纳 米颗粒层散射后所述=维网格中每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A;
[0010] ⑨在所述原子模型进行量子力学分析，利用步骤②获得在巧界上的电势分布W计 算哈密顿，而计算得非平衡格林函数，并包括电子和光子相互作用，W检测所述量子区域里 电子的光激发和输运过程，获得所述量子区域里的电流I;
[0011]
【主权项】
1. 一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，所述等离 子器件包括衬底、位于衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的半导体组件和第二电极、 以及夹设在所述半导体组件和所述第二电极之间的金属纳米颗粒层，其中所述半导体组件 包括位于其中心位置的第一半导体和包围所述第一半导体的第二半导体，所述多尺度建模 和检测方法包括以下步骤： ① 进行所述多尺度建模，将所述等离子体器件划分为量子区域和经典区域，其中所述 量子区域包括第一半导体，所述经典区域包括衬底、金属纳米颗粒层、以及由第一电极、第 二电极和第二半导体构成的经典导电区域；对所述等离子体器件划分三维网格并且在所述 量子区域建立原子模型； ② 对所述第一电极和第二电极施加偏压，并通过入射光激发金属纳米颗粒层的等离子 体激元；对所述经典区域进行经典电动力学分析，获得所述量子区域经所述金属纳米颗粒 层散射后所述三维网格中每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A ; ③ 对所述原子模型进行量子力学分析，利用步骤②得到的辺界上的标量电势分布V和 矢量电势分布A求得哈密顿函数，进而获得非平衡格林函数，所述量子力学分析包括电子 和光子相互作用，以检测所述量子区域里电子的光激发和输运过程，获得所述量子区域里 的电流I :
其中，2<和Σ>为电极自能项，用于描述电极对体系的影响，6<和6>为非平衡格林函 数，哈密顿函数H为电势分布（V，A)的函数，S为重叠矩阵，E为能量，q为基本电荷，A为普 朗克常数，I为电流； ④ 将步骤③中得到的所述量子区域的电流I通过界面处的辺界反馈到经典区域，以满 足电流连续性方程：
其中，P为电荷密度、t为时间、▽?为散度算子； ⑤ 判断量子区域的电流I的相对值是否小于1〇_6以获得收敛结果，如果不收敛则依次 进行步骤②到④，以获得每个格点的新的标量电势分布V、矢量电势分布A和量子区域的电 流；如果收敛则得出量子区域和经典区域的自洽后等离子体器件的电流；以及 ⑥ 在检测过程中改变所述偏压，通过重复进行上述步骤②到⑤得到最大输出功率并获 得等离子体器件的光电转换效率。
2. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，在所述经典区域里的等离子体激元激发时，在所述第一电极和第二电极的两端施 加的所述偏压的电压取值为0-1. 5V。
3. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中金属的介电函 数为：
其中，ε C1为真空介电常数、ω为频率、ω p为等离子体激元共掁频率、γ为衰减常数。
4. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中所述半导体组 件将应用漂移扩散模型：
其中，q为基本电荷、μη、μρ、分别为电子和空穴的迀移率、k为波兹曼常数、T为温度、 V/7和Vp为电子和空穴梯度、▽ 1/为电势梯度、▽.为散度算子。
5. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，所述的等离子体器件为太阳能电池板，在对所述太阳能电池板进行光电转换效率 检测时，表面等离子体激元能够在所述金属纳米颗粒层的表面产生强的局域电场，金属纳 米颗粒层激发的表面等离子体激元共振频率位于可见光区或红外区。
6. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，使用无限平面电流边界条件模拟所述入射光，所述等离子体激元激发引起的电场 增强通过界面处的边界传递给量子区域。
7. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，在经典区域使用有限体积法、有限元或者有限差分法检测电势分布。
8. 根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特 征在于，在经典区域使用有限体积法，并通过对微分算符的拟态离散实现电荷守恒。
【专利摘要】一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，将等离子体器件划分为量子区域和经典区域，量子区域包括第一半导体，经典区域包括衬底、金属纳米颗粒层、第一电极、第二电极和第二半导体；对第一电极和第二电极施加偏压，并通过入射光激发金属纳米颗粒层的等离子体激元，使得量子区域由等离子体激元激发引起电场增强效应；在等离子体激元的激发中，在经典区域中进行经典电动力学分析，得到量子区域经金属纳米颗粒层散射后的电势分布，利用量子力学获得电子的光激发和输运过程，通过自洽获得等离子体器件的电流进而获得光电转换效率。本发明能同时把量子力学的精确性和电磁学的高效性结合起来实现对等离子体器件的光电转换效率精确检测。
【IPC分类】G06T17-30, H02S50-10, G06F17-50
【公开号】CN104866649
【申请号】CN201510205454
【发明人】任志勇, 陈冠华, 孟令一
【申请人】北京计算科学研究中心
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月27日