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基于Ag纳米结构的金刚石NV色心荧光增强研究

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基于Ag纳米结构的金刚石NV色心荧光增强研究

作者：郭慧文内蒙古科技大学

学位级别：硕士

近年来,金刚石氮空位（NV）色心因在室温下具有良好的荧光稳定性、有较长的自旋相干时间、体积小等优点,被广泛应用在单光子源技术、量子信息技术及物理场传感等领域。然而作为光量子信号的载体,金刚石NV色心发出的荧光强度普遍较弱,难... 详细信息

近年来,金刚石氮空位（NV）色心因在室温下具有良好的荧光稳定性、有较长的自旋相干时间、体积小等优点,被广泛应用在单光子源技术、量子信息技术及物理场传感等领域。然而作为光量子信号的载体,金刚石NV色心发出的荧光强度普遍较弱,难以实现有效测量,因此提高NV色心的荧光辐射强度显得十分必要。基于局域表面等离子体激元（LSP）的表面增强效应可有效解决这一难题。LSP是指在一束光的作用下,金属材料表面激发出自由电子的集体振动。当等离子体的振荡频率与入射光的频率相同时,就会产生局域表面等离激元共振（LSPR）。经过研究发现,纳米结构的材料、形状、大小、衬底折射率等都会影响局域表面等离激元的共振频率。本文将理论仿真与实验制备相结合,研究Ag纳米结构对NV色心的表面荧光增强机理,分析Ag纳米柱、Ag纳米层、TiO/SiO纳米多层膜以及TiO/SiO/Ag纳米柱等局域表面等离激元结构对金刚石NV色心的荧光增强效果。首先,采用时域有限差分法（fdtd）,对单个金属Ag纳米粒子及金属Ag纳米柱阵列的远场消光系数和近场局域电场强度进行了模拟分析,探究其LSPR特性随形状、尺寸、间距、衬底折射率等参数的变化规律,并获得金属Ag纳米结构增强金刚石NV色心的最优尺寸,为接下来的实验制备提供理论参考。其次,运用物理气相沉积（PVD）设备及微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备,分析去除掩膜的方法、PVD工艺参数、退火工艺等制备Ag/金刚石NV色心复合结构并对其进行荧光检测。结果表明Ag纳米柱阵列结构可将金刚石NV色心的荧光增强2.30倍,Ag纳米层结构可将金刚石NV色心的荧光增强1.54倍。再采用fdtd计算理论上两种结构对金刚石NV色心的荧光增强效果,研究发现实验结果与理论结果近似,且Ag纳米柱结构比Ag纳米层结构对金刚石NV色心的荧光增强效果更佳。最后,利用PVD设备通过改变溅射功率等参数制备TiO/SiO/金刚石复合结构及TiO/SiO/Ag/金刚石复合结构,探究以上两种结构对NV色心的荧光增强效果。结果表明,TiO/SiO纳米多层膜结构可将金刚石NV色心的荧光增强12.71倍。TiO/SiO/Ag纳米复合结构可将金刚石NV色心的荧光增强17.99倍。采用fdtd计算理论上的荧光增强效果,可发现实验与理论结果近似且增长趋势一致。

关键词：局域表面等离激元 Ag纳米结构 fdtd 金刚石NV色心荧光增强

基于静态场的光导开关Blumlein线传输特性的fdtd分析研究

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电子与信息学报 2009年第1期31卷 250-252页

作者：朱言午石顺祥孙艳玲刘继芳西安电子科技大学技术物理学院西安710071

该文利用电磁场时域有限差分研究了恒定电压下光导开关Blumlein线电脉冲的传输特性。首先用达朗伯公式行波法分析了Blunlein线的工作原理,针对具体工作情况的要求,分别提出了电磁场时域有限差分下处理边界条件的方法和源的预置方法,针... 详细信息

该文利用电磁场时域有限差分研究了恒定电压下光导开关Blumlein线电脉冲的传输特性。首先用达朗伯公式行波法分析了Blunlein线的工作原理,针对具体工作情况的要求,分别提出了电磁场时域有限差分下处理边界条件的方法和源的预置方法,针对光导开关提出了表面阻抗模型。计算给出了处于恒定电压下的光导开关Blumlein电脉冲产生和传输的过程,给出了电脉冲的时间分布。实验结果证明了所进行的电磁场时域有限差分分析结果是正确的。最后进一步分析了Blumlein线输出电压与结构的关系。

关键词：光导开关表面阻抗 fdtd Blumlein线达朗伯公式

CsPbBr3钙钛矿LED表面微结构的光提取研究

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CsPbBr3钙钛矿LED表面微结构的光提取研究

作者：李昊南昌大学

学位级别：硕士

近年来,在光电领域,钙钛矿发光二极管(perovskite light-emitting diodes,PeLEDs)成为热门的研究对象。卤化铅钙钛矿材料具有载流子迁移率高,带隙可调,半高宽窄,发光色纯度高,色域广,制备成本较低,制备工艺简单等特点。但是迄今为止,在... 详细信息

近年来,在光电领域,钙钛矿发光二极管(perovskite light-emitting diodes,PeLEDs)成为热门的研究对象。卤化铅钙钛矿材料具有载流子迁移率高,带隙可调,半高宽窄,发光色纯度高,色域广,制备成本较低,制备工艺简单等特点。但是迄今为止,在内量子效率(internal quantum efficiency,IQE)已经可做到接近100%情况下,PeLED的最高外量子效率(external quantum efficiency,EQE)仅达到28.1%,过低的光提取效率严重降低了PeLED的EQE。大量的光子在衬底模式,光波导模式,表面等离子体激元模式,金属吸收模式的作用下,被困在器件内部,导致器件中的光子被重新吸收。被困在器件中的光子转化为热能,热能又会损害器件,造成器件稳定性差,载流子传输性能差,阻水氧性能下降等一系列危害。所以,光提取效率的提升对PeLED器件极为重要。本文从仿真模拟和器件制备两方面展开研究,在模拟仿真的指导下,制备出了高光提取效率的PeLED器件。本文内容如下:考虑到器件内部钙钛矿发光层和空穴传输层(hole transport layer,HTL)之间折射率匹配度较差而造成光提取效率低的问题,采用了折射率高的NiO代替PEDOT:PSS作为HTL;考虑到ITO和玻璃衬底折射率不匹配的问题,采用高折射率衬底代替玻璃衬底;考虑到高折射率衬底和空气界面光提取效率低,本文考虑在衬底表面引入微结构,由此选用图案化蓝宝石衬底(patterned sapphire substrate,PSS)替代平面玻璃衬底。首先本文设计了多种结构的器件,并对其进行模拟分析。从几何光学的角度考虑,使用蒙特卡罗光线追迹算法对其进行仿真,发现NiO作为HTL的器件其光提取性能优于PEDOT:PSS作为HTL的器件。而PSS较平面玻璃衬底更有利于将衬底模式中被困住的光导出。而由于各层薄膜的厚度为几十纳米到一百多纳米,所以必须要考虑波动光学的影响。由于时域有限差分法(finite difference time domain method,fdtd)是考虑到波动光学的算法,所以使用fdtd来研究光波导模式中不同结构器件的光提取效率。本文发现,较PEDOT:PSS而言,NiO作为HTL更有利于将光子从发光层中导出到ITO层;较平面玻璃衬底而言,蓝宝石衬底更有利于将ITO中光子导入到衬底。两种仿真综合考虑得到的最优器件结构是PSS/ITO/NiO/钙钛矿发光层/TPBi/Ag。然后本文制备了上述仿真模拟中多种结构的电致发光器件实物,并进行光电性能表征,得到的数据与仿真模拟的结果吻合很好。其中NiO作为HTL,PSS作为衬底的器件其电致发光(electroluminescence,EL)强度和EQE是多种器件中最高的,较PEDOT:PSS为HTL,平面玻璃为衬底的器件,其5m A/cm电流密度下EQE提升了82.6%。接着为了在光提取效率提高的同时降低器件制备的成本,本文使用PDMS将PSS表面的微结构转移到了平面玻璃衬底器件上,其EQE也得以提升。最后,为了证明电致发光器件表征结果的可靠性,本文制备了用于光致发光测试的样品并进行测试,验证了上述结果的可靠性。

关键词：钙钛矿发光二极管光提取 NiOx 图案化蓝宝石衬底蒙特卡罗光线追迹 fdtd

微结构表面强化太阳能光伏系统辐射换热的基础研究

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微结构表面强化太阳能光伏系统辐射换热的基础研究

作者：崔贵成大连理工大学

学位级别：硕士

21世纪以来,化石能源的大量消耗导致了碳排放的逐年升高,进而产生一系列的环境问题威胁着人类的生存。为了响应绿色经济的口号、实现碳中和的目标,太阳能光伏系统(STPV)作为一种清洁可靠的能量转换装置在我国的能源转型过程中扮演重要... 详细信息

21世纪以来,化石能源的大量消耗导致了碳排放的逐年升高,进而产生一系列的环境问题威胁着人类的生存。为了响应绿色经济的口号、实现碳中和的目标,太阳能光伏系统(STPV)作为一种清洁可靠的能量转换装置在我国的能源转型过程中扮演重要角色。太阳能光伏系统能够将太阳能高效吸收,高温的吸收表面通过辐射器将能量传递至光伏电池,最终完成能量由太阳能到电能的转换。然而,对于整个STPV系统而言,制约其整体能量转换效率的因素主要来自三个方面:(1)系统表面对太阳能的吸收不足。(2)高温辐射器的发射光谱与光伏电池吸收光谱不匹配。(3)光伏电池工作温度较高,降低了光电转化效率。为了改善以上问题,可以设计具有良好光谱选择性的微结构表面,提高太阳能的吸收、匹配光伏电池的吸收光谱、利用辐射技术降低电池工作温度。因此,本文分别提出了三种周期性二维微纳米结构,对微结构的辐射特性进行深入探索,并优化了模型以实现更完美的光谱选择性。本文利用时域有限差分法(fdtd)模拟了电磁波与微结构表面之间的相互作用过程。首先,针对于太阳能吸收表面与辐射器共同体,本文提出了由铬-二氧化硅-铬三种材料堆叠而成的二维周期金字塔结构。对于太阳能吸收表面,主要讨论了微结构的几何参数对光谱特性的影响,以及入射角度和偏振角带来的影响。结果显示:在可见光和近中红外区间,金字塔结构达到了接近95%的吸收率,并且表现出了对角度的不敏感性。通过对电磁场的分布可知结构引起强烈吸收的原因是激发了表面等离激元(SPPs)和磁极化共振(MPs),这两种效应分别与结构的几何参数存在定量关系,因此可以通过计算来预测共振波长。其次,根据辐射器与太阳能吸收表面结构和作用的高度相似性,对金字塔结构进行优化,使新模型的发射光谱更加匹配光伏电池,完成辐射器的设计。最后,本文提出了由钛-锗-钨材料堆叠的条带状周期微结构,用于对光伏电池的辐射制冷。通过对模型的优化,该结构在大气窗口区间具有接近98%的发射率,且发射光谱较宽,在太阳光谱区间具有低吸收率,表现出良好的光谱选择性。同时根据理论计算净制冷功率,获得了优异的制冷效果。本文的研究旨在从太阳能吸收、能量传递、辐射制冷三个方面来解决STPV在辐射换热方面存在的不足。通过利用微结构表面独特的光谱选择性,满足不同的光谱需求、增强辐射性能,并阐述了内部的电磁共振机理。从理论上提出了一种优化STPV系统光电转化效率的可行性方案,研究结果具有一定的参考价值。

关键词：太阳能光伏系统 fdtd 微结构表面辐射制冷优化结构

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基于等离子体超表面的红外器件光学特性研究

基于等离子体超表面的红外器件光学特性研究

作者：孙阳南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,小型便携式红外光谱仪在保密通信、医疗保健、环境监测、气象科学、军事装备等领域得到了广泛的应用。但是目前常用的光谱仪具有体积大、集成度小、价格昂贵且具有较大的传输损耗等缺点,因此其应用具有相当大的局限性,而小型化... 详细信息

近年来,小型便携式红外光谱仪在保密通信、医疗保健、环境监测、气象科学、军事装备等领域得到了广泛的应用。但是目前常用的光谱仪具有体积大、集成度小、价格昂贵且具有较大的传输损耗等缺点,因此其应用具有相当大的局限性,而小型化红外光谱仪的关键是提高其核心组件的集成度。为了获得高密度的光电集成器件,本文针对其核心部件前端滤波器,提出了一种使用片上集成的滤光片阵列代替原有的干涉仪技术进行光谱鉴别的方法,该滤光片阵列使用金属超表面结构,其滤波特性由金属超表面结构的形状、尺寸和材料确定。本文详细讨论了超表面上阵列结构的几何参数对光谱特性的影响,并进行了偏转角度适应性分析。相对于传统的红外光谱仪,基于超表面阵列的滤波器阵列探测器阵列(Filter Array Detector Array,FADA)红外光谱仪减少了系统中的光学元件,更加紧凑、便携,集成度更高。本文主要研究内容包括:(1)在中红外区域3-5μm和8-14μm两个大气窗口,分别设计了一种基于等离子体超表面的中红外滤波器,并借助有限时域差分仿真软件(Finite Difference Time Domain,fdtd)进行了计算。本文在硅衬底上设计了金等离子体滤波器阵列,在入射光垂直照射下,超表面结构会激发表面等离子体共振,合理设计金属图层的结构参数,可以获得特定波长的透射峰。计算结果表明,在硅衬底上的金属阵列除了有一些侧谱瓣外,透射峰具有60%的透射率,半高宽约为1.5μm。在此基础上,本文研究了入射光的入射角度对透射峰的影响,结果表明,共振波长对入射光偏转不敏感,共振峰值对入射光偏转敏感。本文提出的滤波器可以根据需要调谐共振波长,用于滤除非工作波段的干扰,提高工作效率。(2)基于金属-介质-金属超表面,提出了一种偏振无依赖的中红外可调谐吸收器。计算结果表明,入射光垂直入射时,控制金属图层的结构参数使其与入射面的抗阻匹配,在结构内部会产生间隙等离子体共振,会在中红外波段产生一个光吸收峰。通过控制单元结构的周期,可以调整等离子体初始共振位置,控制金环内外半径,可以对谱线宽度进行调整,进而在中红外8-14μm波段实现宽谱吸收。

关键词：红外光谱滤波器阵列超表面 fdtd FADA

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散射问题中的新型fdtd共形技术

西安电子科技大学学报 2005年第2期32卷 290-293页

作者：汤炜吴振森李清亮董慧西安电子科技大学理学院陕西西安710071 中国电波传播研究所青岛分所山东青岛453003

提出一种新型的共形技术:假设导体边界附近电场呈线性变化,导体边界上电场为零,借用邻近场量,可以完成在相应边上电场环路积分.并证明了该方法有较好的收敛性,并将其应用电磁散射分析.导体柱和扁平双弧柱的计算表明,算法中空间步长可选... 详细信息

提出一种新型的共形技术:假设导体边界附近电场呈线性变化,导体边界上电场为零,借用邻近场量,可以完成在相应边上电场环路积分.并证明了该方法有较好的收敛性,并将其应用电磁散射分析.导体柱和扁平双弧柱的计算表明,算法中空间步长可选择为λ/15,计算结果明显优于常规fdtd中计算精度.空间步长的增加可以减少内存和计算时间,证实了该方法的准确性和高效性.

关键词： fdtd 共形技术电磁散射

基于传输线理论的零阶谐振器fdtd分析与优化

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系统仿真学报 2008年第9期20卷 2300-2302,2306页

作者：何锴孔凡敏李康山东大学信息科学与工程学院山东济南250100

通过fdtd数值仿真,完全由电路理论所描述的零阶谐振器特性得到了证实。通过对电路参数的研究可以更好的定性分析零阶谐振器特性:谐振频点的数量取决于单元结构的个数,而零阶谐振频率是不依赖于结构长度的。改变短路电感的长度及金属导... 详细信息

通过fdtd数值仿真,完全由电路理论所描述的零阶谐振器特性得到了证实。通过对电路参数的研究可以更好的定性分析零阶谐振器特性:谐振频点的数量取决于单元结构的个数,而零阶谐振频率是不依赖于结构长度的。改变短路电感的长度及金属导孔的位置,可以调整零阶谐振频率。通过对结构的进一步优化,可以获得一个更小的1.5个单元结构零阶谐振器模型,该模型在1.9GHz频率上具有较好的无负载品质因数Q。

关键词：传输线理论混合左右手传输线零阶谐振器 fdtd

用fdtd计算各向异性磁化等离子体涂敷二维目标的RCS

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物理学报 2005年第10期54卷 4789-4793页

作者：徐利军刘少斌袁乃昌国防科技大学电子科学与工程学院长沙410073

采用z变换方法把时域有限差分方法(fdtd)推广应用于二维各向异性色散介质—磁化等离子体中,该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的计算问题,给出了各向异性磁化等离子体中fdtd迭代公式.计算了各向异性磁化等离子体涂... 详细信息

采用z变换方法把时域有限差分方法(fdtd)推广应用于二维各向异性色散介质—磁化等离子体中,该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的计算问题,给出了各向异性磁化等离子体中fdtd迭代公式.计算了各向异性磁化等离子体涂敷导体圆柱前后其雷达散射截面(RCS)的变化情况,分析了等离子体碰撞频率和电子回旋频率对其RCS的影响.

关键词：时域有限差分方法,各向异性磁化等离子体雷达散射截面(RCS) 磁化等离子体各向异性计算问题二维目标 fdtd 涂敷时域有限差分方法碰撞频率

基于FPGA/PULPino SoC的时域有限差分方法硬件加速研究

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基于FPGA/PULPino SoC的时域有限差分方法硬件加速研究

作者：朱文正华东师范大学

学位级别：硕士

时域有限差分（fdtd）法是求解不同电磁场问题的数值模拟方法中被广泛应用的技术之一。逆时偏移（RTM）成像在处理陡倾角结构和复杂速度模型时能精确地将波场归位到真实的地下空间位置,被广泛应用在地质勘探、石油和天然气探测等场景中... 详细信息

时域有限差分（fdtd）法是求解不同电磁场问题的数值模拟方法中被广泛应用的技术之一。逆时偏移（RTM）成像在处理陡倾角结构和复杂速度模型时能精确地将波场归位到真实的地下空间位置,被广泛应用在地质勘探、石油和天然气探测等场景中。因此,在基于fdtd方法的电磁成像中引入RTM成像方法能够实现更好的成像效果。然而,传统上基于CPU运行高级语言实现fdtd方法时,其计算效率依赖于操作系统、编译器和问题空间的尺寸。并且在这个计算过程中大量的内存访问尝试会导致缓存缺失,从而降低整个系统的性能。本文针对fdtd计算速度缓慢的问题,基于FPGA设计了二维fdtd加速器,并在此基础上进一步实现了速度更快的RTM加速电路。此外,本文将fdtd硬件加速器集成于开源RISC-V的PULPino SoC平台,提高了fdtd方法的计算速度。具体研究工作包括:1、基于FPGA的二维fdtd加速器硬件加速研究。通过坐标变换简化二维fdtd算法。分析fdtd方法迭代更新过程中的数据依赖关系,基于FPGA使用定点位数据格式、流水线、并行计算等方式优化计算过程。实现了截断边界为二阶Mur吸收边界条件的二维fdtd加速器。实验结果显示运行在100 MHz下的加速器比主频为3.6 GHz PC的计算速度提高7.59倍。2、基于FPGA的电磁波RTM成像硬件加速研究。基于二维fdtd加速器设计了计算和存储同时进行的RTM并行计算电路。使用资源共享、乒乓操作等技术设计了互相关成像计算电路。与主频为3.6 GHz PC的计算速度相比,运行在100 MHz下的RTM加速电路的正演过程计算速度提高17.37倍,反演过程提高18.40倍。互相关成像的计算完成时间比PC慢了2.34倍,而时钟频率是PC的1/36。3、基于开源PULPino SoC的fdtd方法的硬件加速研究。简化fdtd的迭代更新式。基于开源RISC-V的PULPino SoC平台,集成fdtd计算模块,其中使用AXI总线并行读写电磁场数据。搭建软硬件协同仿真环境对RTL设计进行功能仿真验证。实验结果显示,在25 MHz的工作频率下,SoC的计算速度是主频3.6 GHz PC的1.58倍,而时钟频率是PC的1/144。使用FPGA验证了RTL设计在实际电路中的运行结果和仿真一致。

关键词： fdtd RTM 硬件加速 FPGA RISC-V