表面等離激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）通常是指金屬表面自由電子與光場(chǎng)相互作用形成的電磁振蕩。石墨烯在中紅外到太赫茲波段具有類似金屬的光學(xué)性質(zhì),在其表面也能夠激發(fā)出SPPs,即石墨烯表面等離激元（Graphene Plasmons,GPs）。由于GPs的波長(zhǎng)比入射光在真空中的波長(zhǎng)小得多,其局域性相較于金屬SPPs更強(qiáng),在實(shí)驗(yàn)上直接表征極為困難。此外,由于金屬SPPs的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),將金屬同二維半導(dǎo)體量子材料相結(jié)合,借助SPPs可以增強(qiáng)光與納米量子體系的相互作用。反之,將納米薄膜復(fù)合進(jìn)金屬納米結(jié)構(gòu),也可以對(duì)金屬SPPs產(chǎn)生影響并進(jìn)行調(diào)控。金屬與二維材料、納米薄膜構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出與單體金屬或二維材料不同的光學(xué)性質(zhì),對(duì)其中的表面等離激元性質(zhì)開(kāi)展研究,不僅可以加深人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)知,還可以促進(jìn)納米光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),因而具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)制備不同的金屬-納米薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)研究了GPs的激發(fā)和表征、二維材料中激子與SPPs的相互作用以及SPPs的動(dòng)態(tài)調(diào)控。首先,借助金屬光柵在石墨烯中激發(fā)出GPs并利用光誘導(dǎo)力顯微鏡對(duì)其近... 

【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：122 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

金屬的LSPR（a）和SPPs（b）模式示意圖

華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文4被有效地放大[46,48-53]。在共振條件下，金屬表面電磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)十到數(shù)百倍不等。強(qiáng)局域場(chǎng)可以有效地與金屬表面的物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而對(duì)分子拉曼信號(hào)、染料分子熒光等弱信號(hào)產(chǎn)生若干數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)[27]。最后，LSPR的產(chǎn)生受金屬納米結(jié)構(gòu)的材料、形狀、尺寸、周圍電介質(zhì)環(huán)境等條件影響[54-56]，大大增加了人們操控光子行為的自由度。圖1-2介紹了金納米顆粒的粒徑大小對(duì)LSPR特性的影響。特定的金屬材料和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)LSPR激發(fā)光的共振波長(zhǎng)具有選擇性[44]。由于LSPR的共振波長(zhǎng)對(duì)周圍環(huán)境等條件十分敏感，LSPR在化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)診斷等應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)超靈敏檢測(cè)[27]。利用金屬結(jié)構(gòu)LSPR特性制備的光學(xué)傳感器可以在可見(jiàn)-近紅外波段產(chǎn)生視覺(jué)可分辨的信號(hào)傳感，能夠降低檢測(cè)系統(tǒng)的成本和檢測(cè)工作的復(fù)雜程度[48,53]。圖1-2金屬納米顆粒的粒徑對(duì)LSPR特性的影響。粒徑遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的情況下，（a）LSPR電場(chǎng)分布示意圖和（c）消光截面。粒徑與光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)那闆r下，（b）LSPR電場(chǎng)分布示意圖和（d）消光截面[27]。圖1-1（b）給出了SPPs的電場(chǎng)分布示意圖。不同于LSPR中電磁場(chǎng)的局域共振特性，SPPs具有沿著金屬表面的傳播矢量，能夠在金屬表面以倏逝波（EvanescentWave）形式傳播。通過(guò)在包含有金屬和電介質(zhì)材料的兩個(gè)半無(wú)限空間中求解麥克斯韋

華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文5方程組，獲得SPPs模式的色散關(guān)系[1]mSPPs0dmdkk（1-3）其中d，m分別為介質(zhì)和金屬的介電常數(shù)。在可見(jiàn)光到近紅外波段，金屬的介電常數(shù)的實(shí)部通常為一個(gè)較大的負(fù)數(shù)。由1-3式可知，kSPPs始終大于介質(zhì)中平面光波的波矢d1/2k0。SPPs的傳播波長(zhǎng)為=2/Re(kSPPs)，因此SPPs的傳播波長(zhǎng)小于同頻率下介質(zhì)中平面光波的波長(zhǎng)。激發(fā)SPPs需要使激發(fā)光具有與kSPPs相同的波矢，因此需要補(bǔ)償激發(fā)光與SPPs之間的波矢失配。圖1-3常見(jiàn)的SPPs激發(fā)方式。Kretschmann（a）和Otto結(jié)構(gòu)（b）棱鏡耦合激發(fā)。（c）周期性結(jié)構(gòu)耦合激發(fā)。（d）近場(chǎng)散射激發(fā)[25]。圖1-3介紹了幾種常見(jiàn)的激發(fā)SPPs的方法，包括棱鏡耦合、光柵耦合以及近場(chǎng)激發(fā)等。棱鏡耦合可以采用Kretschmann和Otto結(jié)構(gòu)，如圖1-3（a）和（b）所示。兩種棱鏡耦合激發(fā)的區(qū)別在于：Kretschmann耦合棱鏡激發(fā)的SPPs在金屬的下表面?zhèn)鞑ィ贿m用于金屬薄膜中SPPs的激發(fā)。Otto耦合棱鏡激發(fā)的SPPs在金屬的上表面?zhèn)鞑�，棱鏡和金屬之間需要用折射率較大的匹配液填充。圖1-3（c）所示為周期性光柵耦合入射場(chǎng)激發(fā)SPPs示意圖。得益于現(xiàn)代微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展，周期性結(jié)構(gòu)的


本文編號(hào)：2917220