本文關(guān)鍵詞： 表面等離子體 局域表面等離子體 傳導(dǎo)型表面等離子體 集成化等離子體增強(qiáng)拉曼光譜儀 平板波導(dǎo)消逝場　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：上世紀(jì)六十年代,表面等離子體(Surface plasmons,SPs)的概念被美國理論物理學(xué)家R.H.Ritchie正式提出,隨后這種位于金屬與介質(zhì)分界面處的電子集體振蕩行為吸引了全世界科學(xué)家的目光。SPs效應(yīng)可在界面處產(chǎn)生一種傳播的消逝場。該現(xiàn)象因?qū)橘|(zhì)折射率敏感而被廣泛應(yīng)用于生化表界面?zhèn)鞲蟹治�。時(shí)至今日,表面等離子體共振(Surface plasmon resonance,SPR)傳感器仍然是運(yùn)用廣泛的生物傳感器之一,并逐步向SPR成像拓展。二十一世紀(jì)初隨著納米技術(shù)的迅速崛起,人們發(fā)現(xiàn)SPs能夠突破衍射極限,進(jìn)而對光電磁場傳播能量進(jìn)行納米限域。這一驚人的特性隨后被應(yīng)用于納米光子學(xué)研究領(lǐng)域,用以解決光子回路和電子電路之間互聯(lián)互通的瓶頸問題。盡管目前已經(jīng)有報(bào)道闡述了基于SPs的電光調(diào)制器結(jié)構(gòu),然而在納微尺度上高效調(diào)控光傳播的器件仍然缺乏。另一方面SPs與表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)效應(yīng)密切關(guān)聯(lián)。SPR是SERS物理增強(qiáng)機(jī)制中最主要的模型,而SERS也是SPs最受關(guān)注的應(yīng)用之一,研究SPs的近場和遠(yuǎn)場行為是突破SERS技術(shù)三大科學(xué)挑戰(zhàn)(靈敏度,重復(fù)性和可靠性)的關(guān)鍵。以往的SERS研究主要集中在SERS基底的制備上,而SERS基底和光學(xué)元件之間的匹配性卻總被忽略。這導(dǎo)致SERS新增強(qiáng)原理和結(jié)構(gòu)的發(fā)掘遲滯。本文正是基于以上這些科學(xué)問題,基于納微尺度內(nèi)SPs的耦合機(jī)制設(shè)計(jì)光子學(xué)器件、開發(fā)關(guān)鍵SERS技術(shù),主要內(nèi)容分成以下三個(gè)方面:1.利用SPs對折射率敏感的性質(zhì),設(shè)計(jì)和制備一種主動(dòng)調(diào)制的等離子體器件。在一維銀光柵表面表面構(gòu)筑液晶分子層的控制回路,實(shí)現(xiàn)對液晶分子取向可調(diào)控的主動(dòng)調(diào)控功能的plasmon-coupled emission器件。這一器件可在納米尺度上實(shí)現(xiàn)外部電壓信號(hào)對透射光波長的主動(dòng)、連續(xù)以及可逆調(diào)控。器件的透射波長動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍為17 nm,響應(yīng)速度為4.24 ms,同時(shí)擁有較低的驅(qū)動(dòng)電壓1.06 V/mm。這一研究為可調(diào)納米光子器件例如納米光源、納米開關(guān)等的設(shè)計(jì)打開了一個(gè)思路,詳見第二章。2.針對光學(xué)系統(tǒng)和SERS基底之間的匹配性問題,本部分工作提出了一種集成化等離子體增強(qiáng)拉曼光譜儀(integrated plasmon-enhanced Raman spectrograph,i PERS)的策略,能夠把SERS基底和光學(xué)系統(tǒng)有效地集成一體。納米粒子和膜系統(tǒng)(nanoparticle-on-film,NOF)在近場具有巨大電磁場增強(qiáng),在遠(yuǎn)場具有優(yōu)異的定向SERS發(fā)射行為。為了定向激發(fā)和收集SERS信號(hào),我們自行設(shè)計(jì)了一種消色差固浸鏡頭作為i PERS系統(tǒng)的核心部件。i PERS系統(tǒng)對位于NOF基底縫隙中的單層對巰基苯胺分子的檢測結(jié)果表明儀器能夠監(jiān)測納米尺度內(nèi)的光催化反應(yīng),表明i PERS系統(tǒng)在界面化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測方面的光明未來,詳見第三章。3.納米粒子附近的局域表面等離子體(Localized surface plasmons,LSPs)是SERS檢測的關(guān)鍵。在過去的幾十年中,人們研究了納米粒子的尺寸、形貌和聚集情況對SERS增強(qiáng)的影響,但是很少討論用于激發(fā)LSPs的電磁場。本部分工作采用平板波導(dǎo)產(chǎn)生的消逝場激發(fā)納米點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)上的LSPs。和直接激發(fā)相比,采用平板波導(dǎo)消逝場激發(fā)模式能夠進(jìn)一步將SERS信號(hào)強(qiáng)度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。另外基于波導(dǎo)消逝場激發(fā)的LSPs,其近場分布極度依賴入射光的偏振方向。隨著入射光偏振的變化,納米粒子上LSPs產(chǎn)生位置會(huì)隨之出現(xiàn)在納米粒子兩端或者底部,并能夠維持較高的局域電場增強(qiáng)。這項(xiàng)技術(shù)提供了一種進(jìn)一步提高并靈活運(yùn)用貴金屬納米粒子SERS、SHINERS甚至TERS技術(shù)的思路,詳見第四章。
[Abstract]:Surface plasmons ( SPs ) are widely used in surface plasmon resonance imaging ( SERS ) . In the past few decades , we have studied the influence of the size , morphology and aggregation of the i PERS system on SERS enhancement .

【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
【分類號(hào)】：TN761;O657.37

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本文編號(hào)：1547753