[发明专利]等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法

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。

主权项

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，所述等离子体器件包括衬底、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：[Ga]+＝Gr＝[ES‑H(V,A)]‑1G<(E)=Gr(E)[iΣ<(E)+Σep<(E)]Ga(E)]]>其中，Σ＜和Σ＞为电极自能项，用于描述电极对体系的影响，G＜和G＞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，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：▿·I+∂ρ∂t=0;]]>其中，ρ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10‑6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。