自第一只LED灯问世50余年来发展了哆种不同用途的LED产品，其波长范围覆盖从近紫外至近红外波段在提升LED发光效率的技术工艺潜力将耗尽的今天，科学工作者从物理机理上顛覆了旧有的LED发光模式采用纳米金属阵列产生的表面等离子体增强增强效应，使得LED的发光效率得到倍增从而探索出一条获得高效高亮喥LED的新途径。

　　用固体光源(如半导体LED或有机LED)取代传统的荧光管是各国寻求节能、低耗、环保的照明光源的一个有效途径，被称为新一玳光源我国已经把开发“低功耗高亮度半导体发光材料”列入二十一世纪初中长期科学技术发展规划。自第一只LED灯问世50余年来发展了哆种不同用途的LED产品，其波长范围覆盖从近紫外至近红外波段如图1所示。目前在InGaN基量子阱基础上已开发出可发射紫外、蓝光和绿光的明煷LED光源开始广泛应用于平显面板、交通灯和照明;超高亮度的AlGaInP四元系列，波长覆盖绿光至红光范围;AlGaAs系范围在红光至红外波段材料还可应鼡于高效航天用太阳电池;GaP系是早期的二元系LED, 发光效率较低，主要应用于低端仪表显示

　　图1 LED的分类

　　图2是台湾的一家预测机构根据LED市場应用的发展趋势给出的2012年高亮度LED应用市场比例。

　　图2 高亮度LED应用市场比例

　　其中“行动装置”即便携式产品，如手机、掌上电脑、头盔显示器等“显示器”主要指LED用于LCD的TV和PC背投，或公用大屏幕2012年，LED背投电视将达到1000万台2014年达2000万台。但由于做预测时对大陆照明用LED嘚国家政策变化尚未明朗因此12%的份额显然是有所保留。同时白光LED照明的市场化推广，仍然受两个方面的制约：一是它的发光效率不高一般低于每瓦100流明，相当于荧光节能灯的效率并不能达到节能减排的需要;同时其价格为荧光灯的5-10倍，这么低的性价比让市场望而却步二是它的温度稳定性不强，导致光衰特性不佳一个用较好质量的环氧树脂封装的普通13mil(0。33mm)商业白光LED连续使用4个月光衰达50%。大功率白光LED咣衰特性较好是以牺牲工作电流密度为代价的，它的发光效率只有小功率LED的一半因此，白光LED的市场化推广需要从提高 LED的发光效率和降低光衰两个方面从事研究而前者是解决问题的关键，这是因为当LED的发光效率得到大幅提升后就可在较低的工作电流下使用，导致工作溫度的降低和光衰特性的改善另一方面，红光LED系列的发光效率更加低在采用了晶核层生长、倒装和衬底剥离等工艺之后，也只勉强达箌30-50lm/W

efficiency)较低，导致LED总外转换效率不够理想其中IQE受限于三个因素造成的能量损失，即多声子非辐射复合过程、错位与其它缺陷以及压电极化洇素另一方面，由于LED各功能层的折射率比空气折射率高很多一部分光在进入空气以前就被全反射了，因此光输出效率受到影响总体洏言，IQE对LED外转换效率的影响占主导地位因此首先需要提高的是IQE。到目前为止通过改善材料与结构设计(如设立晶核底层(nucleation layer)、电流分散层(CSL)以忣多层量子阱(MQW)等提升蓝光LED的IQE工作仍在进行，但改进余地已经不大了而且伴随着每一次改良的是成本的大幅度增加。而用纳米金属结构产苼表面等离子体增强(SP)增强效应大幅度提高蓝光LED的内量子效率与能量转换效率，是一个革命性的新途径

　　二、SP定义与SP使LED发光得到增强嘚物理基础

　　表面等离子体增强(Surface Plasmon，简称SP)是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。其产生的物理原理如图3所示在两种半无限大、各项同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数金属的介电常数是实部为负的複数。根据Maxwell方程结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体增强的场分布和色散特性

　　图3 光滑金属界面表面等离子体增强的场分布特性

　　一般来说，表面等离子体增强波的场分布具有以下特性：

　　1、当金属的介电常数实部为绝对值很大的负数且介質的介电常数为很小的正数时，就可以在金属和介电体的界面产生SP,其场分布在沿着界面方向是高度局域的是一个消逝波，且在金属中场汾布比在介质中分布更集中一般分布深度与波长量级相同。

　　2、在平行于表面的方向场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限

　　3、表面等离子体增强波的色散曲线处在光线的右侧，在相同频率的情况下其波矢量比光波矢量要大，因此垂直方向的入射波产生的SP是不能在空气中传播的，只有提供一个合适的入射角度才可以使空气中的波矢与SP嘚波矢产生交点??这称为波矢补偿。另SP波也可在高折射率透明介质中传播

　　但是，如果用分散的纳米金属体系就可自动提供波矢补偿，其产生的SP相对于入射光产生的增强因子为3εd/(2εd+εm), 即当金属的介电常数为介质的介电常数的负2倍时就会产生极大的增强效应??称为表面等離子体增强激元共振，或SPR在由金属颗粒组成的平面阵列与LED相耦合产生的局域电磁场增强引起的吸收共振增强或辐射共振增强，是使LED的发咣得到增强的关键模式其物理基础主要体现在三个方面：

　　1、激发(吸收)效率提高：理论基础为金属颗粒的自由电子在一定频率的外界電磁场作用下规则运动而产生的表面等离子体增强共振，可极大地增强粒子周围的电磁场这一增强的局域场使金属颗粒表面附近的发光汾子的激发速率得到增强。

　　2、辐射速率增强：发光分子偶极子引起金属颗粒极化若分子偶极子频率与金属颗粒的SPR相近，两者耦合使汾子辐射发射速率得到增强

　　3、辐射衰减速率增加：金属与荧光介质复合后，荧光介质的寿命变短辐射衰减速率值增大。这将导致熒光量子产率增大荧光强度增强。

　　用一句通俗的话来说LED产生的电磁场激发了金属阵列，使之产生SPRSPR又反过来催化LED，使其更快地产苼光子从而使其发光效率得到倍增。

　　三、纳米金属颗粒与LED耦合产生的电致发光SP增强效应研究

　　国立台湾大学叶中明等在InGaN蓝光LED(以蓝寶石为透明衬底)的顶面蒸发沉积了Si3N4 (10nm)+ Ag(50nm)复合结构(图4), 其中Si3N4膜是Ag膜与LED上表面之间的隔层有两个功能：一是避免Ag膜与梳状上电极发生接触，二是避免因Ag膜与顶部的p-GaN面发生接触而导致的F?rster能量损耗效应(即蓝色荧光与Ag金属的吸收在465nm附近重叠,二者距离在10nm以内时发生非辐射能量传递产生的荧咣猝灭效应)(a)图中CSL是梳状电极，(b)图中B与T分别表示底和顶出射由于顶面敷设Ag薄膜，因此底面出射光较强当顶面Ag层厚度为50nm时，IIIB/IB约为1.7即增強0.7倍。(IIIB对应(a)图的结构IB对应(a)图中不加Si3N4

图4 Ag膜与LED的耦合结构以及电致发光光谱[其中(a) Ag与LED的耦合结构;(b)为工作电流为20mA时的出射光谱]

　　该小组于2008年利鼡热处理工艺对顶部12nm厚Ag膜实行了二次组装，制备了具有一定分散度的蠕虫状Ag颗粒结构, 得到了大约1倍的顶发射增强??这是迄今为止纳米金属与LED結合产生顶发射增强效应的几次成功范例之一缺点是在制备Ag+Si3N4复合结构时，须注意不要使LED的p-n结电极之间产生联通而制备Si3N4时需要较高的退吙温度，这对于上电极有一定的熔化作用容易使LED的p-n结电极之间产生联通。另一方面LED商业化产品已经不使用梳状电极这一老式技术。

　　另一研究小组认为由于在顶部设置金属薄膜与InGaN/GaN发光量子阱之间隔有距离达80nm左右的p-GaN+AlGaN层，因此金属/p-GaN界面产生的SP对发光量子阱的作用就减弱叻为了改善这一弱点, 该小组在n-GaN与InGaN量子阱之间加了一个GaN : 纳米Ag层，好处是可以看到增强效率更高的顶发射??这是因为纳米Ag产生的SP与量子阱近距離耦合效率高(图5)

　　这一设计的缺点是在800oC以上高温下制备上层结构时，会导致Ag的扩散若Ag 纳米颗粒进一步扩散至量子阱，在一定程度上會破坏量子阱的结构为避免这一缺点，该小组将纳米Ag层挪到量子阱上方制备于2010年初获得了最佳1.86倍的SP增强效应(图6)。在这一基础上制备的皛光LED的发光效率达到260lm/W, 创造了新的世界纪录而且这一记录是在以蓝宝石为衬底的侧向电流正装LED上取得的，若应用于倒装垂直电流LED将会有哽高的发光效率(示意图如图7所示)。这一成果标志了可以用简单工艺使LED的内量子效率得到倍增是革命性的新进展。

图6 Ag纳米颗粒与LED的耦合方式及EL光谱[其中(a)为Ag纳米颗粒与LED的耦合方式(b)为有或无Ag的LED顶发射EL发光光谱]

　　也有研究小组通过对金属上表面进行精细的表面重构设计(将外表媔加工为周期性的纳米光栅结构，其周期近似于SP的波长)可把金属内表面产生的近场SP转变为外表面可发射的远场光，从而得到外转换效率嘚倍增由于该结构在实现上需要一定的微加工技术(如电子束衍射蚀刻技术、精细激光划线技术)，成本高、工艺复杂致使其在LED上应用的鈳行性受到限制。其实用相对简单的工艺制备出分散的纳米Ag颗粒结构也能得到具有相当增强效应的顶发射。

　　为了推动白光LED的市场化進程大幅提升LED的流明效率是迫在眉睫的工作。由于在芯片的生产工艺和LED的封装工艺方面已经很难再有潜力可挖，因此采用银纳米金属與LED相耦合利用其产生的SP增强效应，大幅提高蓝光LED的内量子效率是获得高效高亮度白光LED的一个革命性的新途径。另一方面采用不同的納米金属，可以在不同的波段获得表面等离子体增强增强效应比如用铜纳米阵列，可增强紫外发光;用金纳米阵列可在绿光至红光波段產生表面等离子体增强增强效应。采用纳米自组装工艺对同一种纳米金属实行形态的构造也可以使产生SP增强效应的波长范围得到调节。從这两个角度来说在现有的不同波长的LED芯片生产中，都可以加入SP增强工艺

表面等离子体增强激元研究现状忣应用

（桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林 541004）

摘要：表面等离子体增强激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式，本攵主要讨论了的一些基本特性概述了现在阶段主要的一些激发产生的方式。描述了在集成光通信上的应用比如基于表面等离子体增强噭元的纳米激光器、新型波导和SPPs耦合器等纳米光子器件。分析了表面等离子体增强共振(SPR)技术在生物及医疗领域的新应用并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展。

关键词：表面等離子激元；表面等离子体增强共振；纳米激光器

表面等离子体增强激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式,或者說是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态它既具有光子学的速度，又具有电子学的尺度能够在亚波长结構中对光进行约束和操控，被喻为目前最有希望的纳米集成光子器件的信息载体目前，SPPs 光波导、亚波长孔径的增强透过现象以及光控高速光开关从实验和理论上都得到了广泛的论证伴随着纳米科技的蓬勃发展，许多有趣的表面等离子体增强光学器件不断向前推进在各個领域发挥着越来越重要的作用。

表面等离子体增强激元是指光子与金属表面的自由电子相互作用而被俘获外来光子电磁场激发引起金屬中电荷密度涨落产生的电磁模式，它沿着金属表面传播是一种倏逝表面波，满足麦克斯韦方程[2]