【摘要】：金屬微納結(jié)構(gòu)可以調(diào)控表面等離激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR),增強(qiáng)局域表面電磁場(chǎng),被廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光學(xué)超透射(Extraordinary Optical Transmission,EOT)、光產(chǎn)生和探測(cè)等新型光電子器件。在實(shí)際的光電子器件中,為實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的有效調(diào)控,通常需要設(shè)計(jì)并制備大面積的微納結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合紫外光刻、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)小球自組裝、反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive Ion-beam Etching,RIE)和鍍膜技術(shù)等多種光學(xué)加工工藝,發(fā)展出了多種制備大面積微納結(jié)構(gòu)的方法,并對(duì)所制備金屬微納結(jié)構(gòu)的功能與應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。將紫外光刻與熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)相結(jié)合,制備矩形銀光柵。搭建表面等離激元共振傳感裝置,從實(shí)驗(yàn)上論證了矩形銀光柵對(duì)溶液折射率傳感的高靈敏度特性。將PS小球自組裝、RIE刻蝕和磁控濺射鍍膜技術(shù)相結(jié)合,制備連續(xù)銀膜覆蓋的介質(zhì)納米帳篷陣列結(jié)構(gòu),并對(duì)其透明導(dǎo)電性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本文工作對(duì)發(fā)展金屬微納結(jié)構(gòu)的實(shí)用化制備、拓展微納結(jié)構(gòu)在光電子器件中的應(yīng)用具有重要意義。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.利用AR-P3120光刻膠,制備多種大面積新型一維/二維微納結(jié)構(gòu)。使用雙光束干涉,制備光柵高度為30nm的矩形介質(zhì)光柵;控制通過(guò)六棱臺(tái)的光束數(shù)量和方位,制備不同形貌的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu);在光刻膠表面自組裝PS小球,以PS小球?yàn)橥哥R,對(duì)其下方的光刻膠曝光,制備納米孔洞陣列;以PS小球?yàn)檠谀０?RIE刻蝕下方的光刻膠,制備納米帳篷陣列;結(jié)合PS小球光刻和RIE刻蝕技術(shù),制備納米火山口陣列。2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了反射式金屬光柵的SPR傳感特性。根據(jù)嚴(yán)格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA),結(jié)合紫外光刻和熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù),設(shè)計(jì)并制備大面積銀光柵結(jié)構(gòu)。使用theta-2theta儀,測(cè)量銀光柵在不同折射率下的反射率曲線,并標(biāo)記共振角度隨溶液的變化趨勢(shì),分析給出共振角度隨溶液折射率變化的靈敏度。分析光柵的前向散射和背向散射角度調(diào)制靈敏度,驗(yàn)證測(cè)量雙共振峰(double-dips)增強(qiáng)傳感靈敏度方法的可行性。將光柵角度調(diào)制靈敏度與棱鏡的角度調(diào)制靈敏度進(jìn)行對(duì)比,證明光柵的角度調(diào)制靈敏度高于棱鏡。3.設(shè)計(jì)并制備高光學(xué)透射、高電導(dǎo)率的連續(xù)銀膜覆蓋的介質(zhì)納米帳篷陣列結(jié)構(gòu)。測(cè)量結(jié)構(gòu)在不同RIE刻蝕時(shí)間和濺射鍍膜厚度下的透明導(dǎo)電性。分析RIE刻蝕時(shí)間和濺射膜厚對(duì)結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電性的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。使用時(shí)域有限差分法(Finite-Different Time-Domain,FDTD)模擬結(jié)構(gòu)的透射譜和表面電場(chǎng)分布,并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù),揭示了結(jié)構(gòu)光學(xué)超透射的物理機(jī)理。改變?nèi)肷涔獾慕嵌?測(cè)量透射譜隨入射光角度的變化。選用不同直徑的PS小球,調(diào)制結(jié)構(gòu)透射譜的EOT范圍,使結(jié)構(gòu)的透射顏色從紅色調(diào)制成綠色和藍(lán)色。制備非連續(xù)的銀膜覆蓋納米帳篷陣列結(jié)構(gòu),并與連續(xù)銀膜結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電性進(jìn)行對(duì)比,證明連續(xù)銀膜覆蓋納米帳篷陣列結(jié)構(gòu)具有更高的透明導(dǎo)電特性。本文的創(chuàng)新點(diǎn):1.發(fā)展了多手段融合的、簡(jiǎn)易的大面積微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù),將PS小球自組裝技術(shù)與RIE刻蝕技術(shù)、光刻技術(shù)有機(jī)結(jié)合,制備出了二維六角納米孔洞、納米帳篷和納米火山口等新型結(jié)構(gòu),為其它新型(如手性)結(jié)構(gòu)的制備提供了技術(shù)參考。2.從實(shí)驗(yàn)上證明了反射式矩形銀光柵SPR傳感器的高靈敏特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:光柵的背向散射靈敏度高于前向散射,且背向散射的最大靈敏度為254.1°/RIU,證明了double-dips的可行性。當(dāng)光柵的背向散射被激發(fā)時(shí),光柵的角度調(diào)制靈敏度大于棱鏡,打破了人們對(duì)于棱鏡靈敏度高于光柵的普遍認(rèn)知。3.設(shè)計(jì)并制備一種新型的透明導(dǎo)電膜——連續(xù)銀膜覆蓋的納米帳篷陣列結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了超低的表面電阻(1.09Ω/sq)和與ITO相當(dāng)?shù)耐高^(guò)率(85.5%)。結(jié)果表明:(1)采用濺射鍍膜方式制備的結(jié)構(gòu)具有較高的透明導(dǎo)電性;(2)改變PS小球的直徑可以調(diào)制透射譜EOT共振峰的位置;(3)結(jié)構(gòu)透過(guò)率對(duì)入射光角度具有很強(qiáng)的依賴性,適用于光激發(fā)和光探測(cè)裝置。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O482.3;O441.4
【圖文】：

（１）傳播的表面等離激元逡逑為了更清晰明了的展示介質(zhì)－金屬界面處的表面電磁波傳播模式，選用半無(wú)逡逑限大介質(zhì)－金屬平板結(jié)構(gòu)［１１］，如圖１．１所示。逡逑Ｊ邋ｉ逡逑Ｚ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋｛邋ｅ２邋＞邋０邋）逡逑一一一邐＂４＂崎＊＊逡逑ｗ逡逑Ｍｅｔａｌ邋（邐＜邋０邋）逡逑圖１．１半無(wú)限大介質(zhì)－金屬界面等離激元模型逡逑假設(shè)表面波沿ｘ方向傳播，ｚ＞０區(qū)域?yàn)楦飨蛲缘慕橘|(zhì)材料，介電常數(shù)＆邋＞逡逑０；邋ｚ＜０為各向同性的金屬材料，介電常數(shù)＆＜０；邋ｚ＝０為介質(zhì)－金屬的交界面。逡逑那么，在ｚ＝０處的表面波的電場(chǎng)為：逡逑Ｅ｛ｘ，ｙ，ｚ）邋＝邋ＥｚｅｌＰｘ邐（１．１）逡逑其中，１邋＝邐ｚ＝０。Ａ為振幅，ｐ為沿ｘ方向傳播的波矢。逡逑針對(duì)ＴＭ模式，結(jié)合Ｍａｘｗｅｌｌ方程組，僅存在Ｅｘ，Ｅｚ和Ｈｙ三種電磁場(chǎng)分量，逡逑可表示為：逡逑Ｅｘ邋＝邋－ｉ—＾邐Ｅｚ邋＝邋－－ＬＨ邐（１．２）逡逑０）￡0￡邋ｄｚ邐０）￡0￡邋ｙ逡逑—／／ｙ邋４－邋（／ｃ0ｆ邋—邋Ｐ２）Ｈｙ邋＝邋０邐（１．３）逡逑由（１．３）式可得

。逡逑求解由（１．４）和（１．８）構(gòu)成的方程組，可以求出，在ＴＭ模式下，介質(zhì)－金屬逡逑界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x激元的波矢，即色散關(guān)系為：逡逑Ｐ邋＝邋ｆｃｓｐ邋＝邋ｋ0Ｊ－＾邐（丨＿９）逡逑由于金屬材料的介電常數(shù)ｑ包含虛數(shù)分量，即ｑ邋＝邋４邋＋ｉ＿４＇，波矢也將包含逡逑虛數(shù)分量，即Ｐ邋＝邐＋邐〃，其中逡逑卜ｋ。原邐（丨？丨0）逡逑ｎ卷愿邐（丨，１丨）逡逑針對(duì)ＴＥ模式，采用相似的分析方法，得到逡逑八１邋＝八２邋＝邋0邐（１．１２）逡逑所以，在ＴＥ模式下，介質(zhì)－金屬界面不存在傳播的表面波。逡逑（２）局域的表面等離激元逡逑當(dāng)金屬納米顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)在特定波長(zhǎng)的激發(fā)下形成電逡逑磁場(chǎng)與電子諧振的現(xiàn)象，使電子局域在顆粒表面一個(gè)很小的尺度范圍內(nèi)，產(chǎn)生局逡逑域的表面等離激元［１２］，如圖１．２所示。逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 楊亞培,劉永智,劉永;光波導(dǎo)法布里—帕羅調(diào)制器調(diào)制靈敏度分析[J];激光與紅外;1997年02期

2 王長(zhǎng)江;王志軍;;變?nèi)荻䴓O管調(diào)頻器獲得線性調(diào)頻的條件[J];四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2006年04期

3 陳一新;調(diào)頻晶體振蕩器頻偏擴(kuò)展方法研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2002年01期

4 黃楊;909顯示器光柵異常故障檢修[J];中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶;1995年04期

5 ;有問(wèn)有答[J];電子技術(shù);1980年05期

6 劉程卓;王渝紅;王彪;李建;王媛;陳陽(yáng);;基于系統(tǒng)暫態(tài)能量函數(shù)及直流靈敏度排序的多直流調(diào)制協(xié)調(diào)策略[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2018年21期

7 馮洪輝;改善毫米波固態(tài)源電調(diào)諧特性的研究[J];南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1995年03期

8 J.B.Thaxter,賀江濤;LiNbO_3可變延遲線中橫向體波和聲表面波的傳播[J];壓電與聲光;1990年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 馮洪輝;;毫米波固態(tài)源的調(diào)諧特性得到改善的研究[A];1995年全國(guó)微波會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];1995年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 成都 史為 編譯;接收500公里內(nèi)的FM信號(hào)[N];電子報(bào);2015年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 戴艷秋;大面積微納結(jié)構(gòu)的制備及其光學(xué)特性[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2731622