本文關(guān)鍵詞： 納米間隙 等離子體共振 三維納米結(jié)構(gòu) 手性納米結(jié)構(gòu)　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),人們對(duì)于納米材料的研究熱度持續(xù)增長(zhǎng),由于納米尺度材料表面及內(nèi)部原子分布的變化并且具有高比表面積,使其能夠表現(xiàn)出與體相材料完全不同的性質(zhì)。其中,貴金屬納米結(jié)構(gòu)能夠與光相互作用形成獨(dú)特的表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance)效應(yīng),引起局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度的大幅提升,使貴金屬納米結(jié)構(gòu)可有效應(yīng)用于傳感、痕量檢測(cè)、微型光學(xué)器件以及生物診療等領(lǐng)域。然而,目前這一領(lǐng)域的許多研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)階段。貴金屬納米結(jié)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用,不僅需要所制備的納米結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈、可控的等離子體共振以提供高效、穩(wěn)定的傳感平臺(tái),同時(shí)要求納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成本低、產(chǎn)率高、集成度好以適應(yīng)工業(yè)化量級(jí)的生產(chǎn)水平。近來(lái),納米間隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展為滿足以上性質(zhì)與制備兩方面的需求帶來(lái)了曙光。向貴金屬納米結(jié)構(gòu)中引入納米級(jí)的間隙可引起其兩側(cè)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈等離子體耦合作用,并在縫隙中得到增大的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)間隙的尺寸逐漸接近納米構(gòu)筑的極限達(dá)到小于10 nm(Sub-10 nm)范圍時(shí),縫隙中能夠激發(fā)出極強(qiáng)電磁場(chǎng)從而有望實(shí)現(xiàn)單分子級(jí)別的檢測(cè)。由此可見(jiàn),納米間隙結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)烈的等離子體耦合效應(yīng)可以滿足促進(jìn)納米材料從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的性質(zhì)方面的需求;然而在制備方面,納米級(jí)的間隙已然接近傳統(tǒng)納米構(gòu)筑手段的分辨率極限。如何開(kāi)發(fā)更加適應(yīng)于批量化生產(chǎn)要求的制備手段,構(gòu)筑更大面積、更高集成、更強(qiáng)耦合的納米間隙陣列仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。本論文以此為目標(biāo),著眼于發(fā)展新興的納米構(gòu)筑方法制備新型貴金屬納米間隙陣列,將理論模擬與實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),深入探討間隙引起的強(qiáng)電磁耦合對(duì)于傳感等應(yīng)用性質(zhì)提升的機(jī)制和根源;并創(chuàng)新地提出手性納米間隙的概念,切實(shí)為手性等離子體納米結(jié)構(gòu)向復(fù)雜的手性傳感應(yīng)用架起橋梁。在第二章中,利用膠體刻蝕這種簡(jiǎn)單、通用的納米構(gòu)筑手段制備出大面積有序的金屬-電介質(zhì)-金屬多層納米孔陣列,間隙層二氧化硅的厚度可以在納米尺度上實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。這種納米級(jí)面狀間隙層的存在能夠引起上、下兩層納米孔陣列間強(qiáng)烈的電磁耦合,通過(guò)對(duì)納米結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確優(yōu)化可以激發(fā)出基于磁模式的強(qiáng)烈的多重法諾共振(fanoresonance),進(jìn)而得到窄線寬的等離子體法諾特征峰,并結(jié)合理論模擬進(jìn)行了充分驗(yàn)證。由于法諾特征峰的半峰寬較窄,使其對(duì)環(huán)境中微弱的變化有著極高的傳感靈敏度�；诖�,進(jìn)一步在多層納米孔陣列上旋涂電致變色聚合物薄膜,通過(guò)電壓實(shí)時(shí)控制薄膜的折射率變化,可實(shí)現(xiàn)對(duì)多層納米孔陣列法諾特征峰的大范圍可逆調(diào)控。正是得益于窄峰寬法諾共振的超高傳感靈敏度,其純電控等離子體共振峰位移動(dòng)(與聚合物特征吸收峰沒(méi)有任何重疊)可高達(dá)72nm,超過(guò)目前文獻(xiàn)中報(bào)道的最大調(diào)控范圍。特別地,與前人電控等離子體共振的研究不同,由于多層金屬納米孔陣列自身具有良好的導(dǎo)電性,這種電調(diào)控等離子體共振器件可以不依賴(lài)ito進(jìn)行電控器件的組裝,節(jié)省了ito作為電子中間傳輸所需的響應(yīng)時(shí)間,因此切換速度大幅提升,為實(shí)時(shí)傳感的推廣打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們相信,第二章中所提出的快速響應(yīng)的多層納米孔陣列/電活性聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)將會(huì)推進(jìn)可調(diào)控激光器、光學(xué)調(diào)節(jié)器件以及光伏器件等方面的應(yīng)用。在第三章的工作中,研究重點(diǎn)從平面型納米間隙轉(zhuǎn)移到垂直型納米間隙上。由于大部分光學(xué)檢測(cè)儀器的入射光都是與基底相互垂直的,因此垂直型的納米間隙相比于平面型而言,能夠更加有效地與入射光相互作用,實(shí)現(xiàn)光與等離子體結(jié)構(gòu)的充分作用,進(jìn)而使間隙中的電磁場(chǎng)強(qiáng)度最大化,大幅提升傳感的靈敏度。而強(qiáng)耦合的sub-10nm垂直型納米間隙的制備一直是納米構(gòu)筑領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題,我們跳出傳統(tǒng)制備方法的限制,發(fā)展了一種新興的納米構(gòu)筑手段——納米切割,制備出毫米級(jí)長(zhǎng)度的一維線狀金納米間隙。利用此種方法制備的納米級(jí)間隙,成本低、產(chǎn)率高、重復(fù)性好、不依賴(lài)復(fù)雜儀器設(shè)備,并可以實(shí)現(xiàn)間隙尺寸納米級(jí)的可控度,進(jìn)而優(yōu)化間隙中的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,為納米間隙向?qū)嶋H生產(chǎn)的推進(jìn)做出貢獻(xiàn)。其間隙尺寸可在sub-10nm范圍內(nèi)納米級(jí)精確可調(diào)控。同時(shí)用理論模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)間隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,當(dāng)間隙尺寸為5nm時(shí),其等離子體共振最強(qiáng)。進(jìn)一步地,為適應(yīng)現(xiàn)代集成光電科技的高速發(fā)展,將表面圖案化技術(shù)與納米切割有效地結(jié)合起來(lái),可制備出大面積、高集成度的二維納米間隙陣列。不滿足于此,我們又創(chuàng)新地探索由二維平面集成度向三維空間集成度的突破,成功利用納米切割技術(shù)獨(dú)特的可轉(zhuǎn)移性制備出“堆垛式”三維納米間隙陣列,首次通過(guò)充分利用豎直方向上的三維空間來(lái)實(shí)現(xiàn)納米間隙的集成度的擴(kuò)張。并且,令人振奮的是,“堆垛式”三維納米間隙結(jié)構(gòu)中不僅間隙集成度顯著提升,上、下兩層間隙的交疊區(qū)域由于引發(fā)絕熱等離子體共振(Adiabatic Plasmonic Resonance)產(chǎn)生明顯增大的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,且強(qiáng)度隨著交疊角度的減小而急劇提升,電磁場(chǎng)強(qiáng)度最大增幅高達(dá)20000倍,這一增強(qiáng)數(shù)值在相關(guān)文獻(xiàn)中處于領(lǐng)先地位。電磁場(chǎng)的急劇增強(qiáng)能夠產(chǎn)生超強(qiáng)的表面增強(qiáng)拉曼散射,促進(jìn)痕量物質(zhì)的高效傳感應(yīng)用。我們相信這種新穎的三維納米間隙陣列會(huì)拓展制備三維復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的途徑,并且為深入理解其中的等離子體共振效應(yīng)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在第四章中,在上一章研究的具有強(qiáng)電磁耦合作用的三維納米間隙的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究其在非正交疊加狀態(tài)下所構(gòu)筑的三維手性納米間隙的手性光學(xué)響應(yīng),并推動(dòng)其在手性傳感領(lǐng)域的切實(shí)應(yīng)用。由于納米切割技術(shù)獨(dú)特的切片可轉(zhuǎn)移性和高度可控性,我們得以完全跳出傳統(tǒng)自上而下和自下而上構(gòu)筑手性納米結(jié)構(gòu)方法的框架,首創(chuàng)利用納米切割這種邊緣刻蝕的手段制備出手性納米結(jié)構(gòu),不僅制備成本低、產(chǎn)率高、尺寸分辨率高,而且具有出色的設(shè)計(jì)自由度,為手性納米結(jié)構(gòu)的制備提供一條全新的思路。值得注意的是,利用納米切割方法所制備的手性納米結(jié)構(gòu)中還具有納米級(jí)的間隙,能夠促進(jìn)強(qiáng)烈的電磁耦合,增大局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度,這是傳統(tǒng)手性納米結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)勢(shì)。得益于這種三維手性納米間隙結(jié)構(gòu)既具有顯著的光學(xué)手性、又能激發(fā)出強(qiáng)烈的等離子體共振的雙重特性,首次實(shí)現(xiàn)對(duì)映體分子的直接拉曼識(shí)別,而不依賴(lài)手性光源與任何標(biāo)記分子。普通拉曼檢測(cè)儀的非偏振光可與手性納米間隙相互作用,產(chǎn)生特定手性的局域電磁場(chǎng),與待檢測(cè)的手性分子之間形成協(xié)同或拮抗作用,進(jìn)而促進(jìn)或抑制對(duì)映體分子的拉曼信號(hào)。這使得不同手性的分子其拉曼光譜上行成明顯差異,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)映體分子的快速、準(zhǔn)確識(shí)別,為手性納米結(jié)構(gòu)向?qū)嶋H應(yīng)用的推進(jìn)架起開(kāi)拓性的橋梁。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 許苗軍;陳天然;李斌;;納米銀碗陣列結(jié)構(gòu)的高效制備及熒光增強(qiáng)性能[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2012年11期

2 魏飛;張強(qiáng);騫偉中;徐光輝;項(xiàng)榮;溫倩;王W，

本文編號(hào)：1542055