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由于表面等离子体在电子学和光子学上潜在的应用前景,基于表面等离子体的亚波长光学获得了广泛的重视和研究。但是,国际上大部分的研究集中于金属在可见光波段表面等离子体的光学效应。针对红外波段的表面等离子体效应的研究则较少。本文考虑用重掺半导体材料来进行此波段表面等离子效应的研究。通过对表面等离子理论的探索和重掺半导体复介电常数的测定,本文用时域有限差分算法在理论上证明了用重掺半导体材料进行红外波段表面等离子研究的可行性。具体成果归纳如下:
1.通过对实验测量所得的折射率和消光系数的拟合,分别得出了几种不同掺杂浓度的n-GaAs、n-InP和n-InAs的Drude模型参数。从而在我们考虑的频率范围内得出复介电常数随频率的变化曲线。
2.通过对重掺n-GaAs薄膜的光滑表面结构和上下两表面具有上周期性结构的电场强度透射谱线的对比,表明由于表面等离子体的共振耦合作用产生了异常的透射增强现象。
3.改变表面结构的周期、沟槽的深度和宽度时,发现透射谱线中透射峰的频率位置随着周期的增加而向低频移动,但在一定沟槽宽度范围内随着沟槽宽度的增加而向高频移动。同时,透射峰的峰值随着沟槽周期和沟槽深度变化时均出现一个最大值。
4.通过对不同掺杂浓度的n-GaAs薄膜的研究,发现掺杂电子浓度对透射峰起着调节作用。随着电子浓度的降低,透射峰的频率位置向低频移动。
5.通过对n型重掺InP和InAs等材料进行的进一步研究同样发了现基于表面等离子体共振耦合的异常透射现象,说明研究结论在重掺半导体中具有相当的普遍性。
6.对重掺半导体表面等离子体在滤波等器件中的应用进行了初步探讨。