【摘要】：薄膜在技術(shù)工藝和科學(xué)研究中有非常廣泛的應(yīng)用,研究聚合物薄膜在不同條件下自組織的行為,可以更有針對(duì)性地保持薄膜的穩(wěn)定性,同時(shí)有助于控制薄膜的自組織行為形成獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)。三維金屬微腔陣列結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立調(diào)控局域和非局域表面等離激元及其相互作用,產(chǎn)生許多獨(dú)特的功能和物理性質(zhì),而傳統(tǒng)微加工技術(shù)在制備大面積金屬周期微納結(jié)構(gòu)的無(wú)法兼顧可控性和效率,尋找一種經(jīng)濟(jì)高效的金屬微腔的制備方法逐漸成為研究的熱點(diǎn)。本文在研究了 PS/PMMA共混薄膜以及PS薄膜在物理修飾硅襯底上退火時(shí)受限自組織生長(zhǎng)的機(jī)制,以重復(fù)可控地制備大面積規(guī)則有序的聚合物微滴陣列的基礎(chǔ)上,結(jié)合微納加工的圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)制備三維蘑菇狀金屬微腔陣列結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步研究了其物性。本論文的研究成果主要包含以下幾個(gè)方面:第一,研究了物理修飾的周期孔洞對(duì)硅襯底上PS/PMMA共混薄膜退火自組織行為的影響。重量比為1:1的PS/PMMA共混薄膜在平襯底上通過(guò)失穩(wěn)分解的方式自組織相分離,而對(duì)于周期孔洞的硅襯底上的PS/PMMA共混薄膜,孔洞改變系統(tǒng)的局部表面能,提供了人工的成核點(diǎn),使得在薄膜退火時(shí)存在成核過(guò)程,但其影響范圍有限。當(dāng)襯底上孔洞周期較大時(shí),薄膜主要通過(guò)失穩(wěn)分解過(guò)程破裂,而聚合物微滴在彼此合并的過(guò)程中,受到近鄰孔洞排斥的作用力。當(dāng)孔洞周期較小時(shí),成核為薄膜主要的破裂過(guò)程,成核形成的空洞很快彼此接觸,更易形成有序的微結(jié)構(gòu)陣列。第二,研究周期孔洞硅襯底上PS單層膜的退火自組織成核Dwetting過(guò)程,與共混膜系統(tǒng)比較,進(jìn)一步確認(rèn)孔洞在系統(tǒng)中的作用。硅襯底上PS單層膜主要通過(guò)成核的方式破裂,其退火后微結(jié)構(gòu)的分布受初始成核點(diǎn)分布的影響,周期孔洞作為人為引入的成核點(diǎn)能夠有效地控制PS薄膜的Dwetting過(guò)程。與共混膜在退火自組織過(guò)程中的雙層結(jié)構(gòu)相比,PS單層膜與硅襯底表面氧化層不浸潤(rùn),其Dewetting成核過(guò)程中形成的空洞范圍很大,而只要襯底上孔洞的周期小于自發(fā)成核點(diǎn)之間的平均間距就可以形成規(guī)則的PS微滴,更適合于制備大面積的微結(jié)構(gòu)陣列,退火過(guò)程中PS微滴的受力及其與襯底上的孔洞的相互作用有待進(jìn)一步研究。第三,以PS薄膜與PS/PMMA共混薄膜在周期孔洞硅襯底上退火自組織形成的微滴陣列為模板,通過(guò)后續(xù)圖形轉(zhuǎn)移制備三維金屬微腔陣列。討論了兩種方式的優(yōu)劣,提供了一種經(jīng)濟(jì)有效制備大面積金屬微結(jié)構(gòu)陣列的方法。金屬微腔中金屬圓盤(pán)盡管阻擋了電磁波的直接透射,但相對(duì)于金屬孔其透射強(qiáng)度卻有明顯的增強(qiáng)。第四,利用電子束曝光技術(shù)制備不同參數(shù)的三維金屬微腔陣列,研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)的光學(xué)性質(zhì)的影響。三維蘑菇狀金屬微腔的高度和直徑影響圓孔和金屬圓盤(pán)之間錐形的硅柱結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)而改變介質(zhì)的有效介電常數(shù),可以獨(dú)立調(diào)節(jié)局域共振模式,其與非局域表面等離激元的相互作用可以增強(qiáng)透射譜的強(qiáng)度,而當(dāng)兩者的頻率接近時(shí)其耦合作用可以使透射譜的峰位出現(xiàn)明顯的紅移,而頻率高于局域共振頻率的電磁波透射受到抑制。
[Abstract]:Thin films are widely used in technology, technology and scientific research. Studying the self-organized behavior of polymer films under different conditions can keep the stability of the films more pertinently, and help to control the self-organized behavior of the films to form unique microstructures. Nonlocal surface plasmons and their interactions produce many unique functions and physical properties. However, traditional micro-fabrication techniques can not give consideration to both controllability and efficiency in fabricating large area metal periodic microstructures. It is becoming a hot topic to find an economical and efficient method for fabricating metal microcavities. The mechanism of confined self-organizing growth of blend films and PS films annealed on physically modified silicon substrates was investigated. Based on the repetitive and controllable preparation of large-area ordered polymer microdroplet arrays, the three-dimensional mushroom-like metal microcavity arrays were fabricated by pattern transfer technique combined with micro-nano processing. The main achievements of this paper are as follows: Firstly, the effect of periodic pores on the annealing self-organization behavior of PS/PMMA blend films on silicon substrate is studied. The PS/PMMA blend films with a weight ratio of 1:1 are self-organized phase separation by instability decomposition on flat substrate, while the PS/PM blend films with periodic pores on silicon substrate are self-organized phase separation by instability decomposition. In MA blend films, voids change the local surface energy of the system and provide an artificial nucleation point, which leads to the existence of nucleation process during annealing, but its influence range is limited. The nucleation is the main breakdown process of the film when the void cycle is small. The voids formed by nucleation contact each other quickly and form ordered microstructure arrays more easily. Second, the annealing self-organized nucleation process of PS monolayer on periodic void silicon substrate is studied. Compared with the blend film system, the voids in the system are further confirmed. PS monolayer on silicon substrate is broken mainly by nucleation. The distribution of microstructure after annealing is affected by the distribution of initial nucleation points. Periodic voids as artificial nucleation points can effectively control the Dwetting process of PS films. Compared with the double-layer structure of the blend films during annealing self-organization, PS monolayer and silicon lining are more effective. As long as the period of voids on the substrate is less than the average spacing between the spontaneous nucleation points, regular PS droplets can be formed, which is more suitable for fabricating large-area microstructural arrays. Thirdly, three-dimensional metal microcavity arrays are fabricated by subsequent pattern transfer using self-organized droplet arrays formed by annealing of PS films and PS/PMMA blends on periodically porous silicon substrates as templates. The advantages and disadvantages of the two methods are discussed, providing an economical and effective way to fabricate large-area metal microcavity arrays. METHODS. Although metal discs in metal microcavities obstruct the direct transmission of electromagnetic waves, their transmission strengths are obviously enhanced compared with metal holes. Fourthly, three-dimensional metal microcavity arrays with different parameters are fabricated by electron beam lithography to study the effects of structural parameters on optical properties. Diameter affects the structural parameters of the conical silicon column between the circular hole and the metal disk, and then changes the effective dielectric constant of the medium, which can independently adjust the local resonance mode. Its interaction with the non-local surface plasmon can enhance the intensity of the transmission spectrum. When the frequency of the two is close to each other, the coupling effect can make the peak of the transmission spectrum out. The red shift is obvious, and the transmission of electromagnetic wave with higher frequency than the local resonance frequency is suppressed.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：O484

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本文編號(hào)：2200963