【摘要】：近些年,有關(guān)金屬微納結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究發(fā)展非常迅速,這是由于其在光學(xué)、電學(xué)、以及化學(xué)傳感等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景。基于金屬材料的光子晶體、超材料、以及等離子體器件等結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢,能夠?qū)崿F(xiàn)諸多有意義的電磁現(xiàn)象,比如可調(diào)節(jié)的熱輻射,負(fù)的折射率和深亞波長的光限制等。本論文的工作主要是利用激光技術(shù)加工二維乃至三維的金屬微納結(jié)構(gòu),進(jìn)而對它們的應(yīng)用進(jìn)行研究。首先針對金屬離子雙光子吸收截面測量困難的問題提出了基于質(zhì)量沉降思想的測量方法;其次利用飛秒激光雙光子加工技術(shù)制備了銀鈀合金納米結(jié)構(gòu),并且探討該結(jié)構(gòu)作為抗氧化拉曼襯底在拉曼檢測方面的應(yīng)用;此外還研究了飛秒激光成絲技術(shù)中的強(qiáng)場在合成金屬納米粒子方面的應(yīng)用;最后針對三維金屬微結(jié)構(gòu)制備困難的問題,利用飛秒激光加工模板結(jié)構(gòu)進(jìn)行微電鑄的工藝成功制備了三維的金屬微器件。主要成果具體如下:(1)首次提出了基于質(zhì)量沉降的方法來測量溶液中金屬離子雙光子吸收截面。飛秒激光雙光子吸收誘導(dǎo)溶液中金屬離子還原這一技術(shù)對加工金屬微納結(jié)構(gòu)具有重要作用。然而,金屬離子的雙光子吸收截面測量因?yàn)榧夹g(shù)上的難題一直懸而未決。在我們的研究工作中,利用金屬離子光照還原沉積這一性質(zhì),首次提出了雙光子誘導(dǎo)質(zhì)量沉降的方法來解決這個問題,完成了對銀離子和鈀離子的測量,得到銀離子和鈀離子在800 nm處的雙光子吸收截面大約為(9.97?0.79)?10-2GM和(1.69?0.31)GM。實(shí)驗(yàn)中還考察了金屬離子沉積量隨激發(fā)光強(qiáng)的平方依賴關(guān)系,這一現(xiàn)象也證實(shí)了金屬離子在800 nm飛秒脈沖激光還原過程中是一個雙光子吸收過程。最后也對該測量方法的準(zhǔn)確度、靈敏度、適用范圍以及使用時需要注意的光強(qiáng)問題進(jìn)行了分析討論。(2)利用飛秒激光雙光子誘導(dǎo)銀鈀共沉積技術(shù),實(shí)現(xiàn)了一步制備銀鈀合金納米結(jié)構(gòu),并將該結(jié)構(gòu)用作穩(wěn)定抗氧化的表面增強(qiáng)拉曼檢測(SERS)襯底。眾所周知,銀納米結(jié)構(gòu)由于具有較大的拉曼增強(qiáng)能力,被人們廣泛用于SERS研究。然而,純銀的納米結(jié)構(gòu)放置于空氣中時很不穩(wěn)定容易被氧化,使得隨著空ii氣中暴露時間的增加會導(dǎo)致sers信號有顯著的減弱,因而不利于作為一個長期使用的sers襯底。在我們的研究中,嘗試了利用飛秒激光誘導(dǎo)銀離子和鈀離子共還原沉積的方法來一步制備銀鈀合金納米結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)證實(shí)能夠有效地增強(qiáng)銀的抗氧化能力,從而可以用作一個穩(wěn)定的sers襯底。并且發(fā)現(xiàn)含鈀量大約為18%的合金納米結(jié)構(gòu)在沒有明顯犧牲拉曼增強(qiáng)能力的前提下保持了較好的抗氧化穩(wěn)定性,置于空氣中存放能夠穩(wěn)定達(dá)20天左右,相比于純銀的拉曼襯底僅有的三到四天使用壽命而言穩(wěn)定性得到了較大提升。(3)利用飛秒激光成絲技術(shù)產(chǎn)生的強(qiáng)場輔助金屬納米粒子快速合成。鎳磷合金納米粒子具有較好的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì),并且在加氫脫硫、加氫脫氮、析氫反應(yīng)等方面具有較好的催化效果,也可以用于磁存儲和鋰電池電極材料等。然而,目前一些合成鎳磷合金納米粒子的方法過程比較復(fù)雜耗時較長,而且關(guān)于粒徑可控的鎳磷合金納米粒子的合成報道并不多。本文工作采用了飛秒激光成絲的方法在硫酸鎳和次磷酸鈉的溶液中輻照,通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物相對摩爾比、激光功率以及輻照時間等實(shí)驗(yàn)條件,得到了平均尺寸從35nm到120nm可調(diào)的鎳磷合金納米粒子,并且發(fā)現(xiàn)這種方法合成的粒子是非晶態(tài),這種非晶態(tài)的鎳磷納米粒子在析氫反應(yīng)等一系列化學(xué)反應(yīng)中具有極好的催化能力。隨后嘗試了在溶液中添加表面活性劑pvp(聚乙烯吡咯烷酮),發(fā)現(xiàn)對提高粒徑的均一性具有顯著效果。最后對整個反應(yīng)過程中的機(jī)制進(jìn)行了解釋,認(rèn)為鎳磷合金粒子的合成歸因于強(qiáng)場導(dǎo)致的次磷酸鈉中p-h化學(xué)鍵的斷裂釋放出的強(qiáng)還原性的初生態(tài)原子氫。利用這種強(qiáng)場輻照的方法可能會有助于其他化學(xué)反應(yīng)的推進(jìn),有望成為納米材料合成的有效方法。(4)利用飛秒激光加工模板結(jié)構(gòu)進(jìn)行微電鑄來制備三維金屬微結(jié)構(gòu),成功制作了可用于射頻集成電路的三維螺線管微電感。由于二維金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用的局限性,目前越來越多的人開始研究和設(shè)計三維的金屬微納結(jié)構(gòu),因?yàn)樗鼈冊诎ㄎC(jī)電系統(tǒng)(mems),等離子體,超材料,以及生物傳感等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。然而到目前為止,制備真三維金屬微納結(jié)構(gòu)一直是一個技術(shù)難題,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的光刻技術(shù),包括層層組裝結(jié)構(gòu)化的金屬結(jié)構(gòu),都僅僅只能實(shí)現(xiàn)有限幾層的堆疊,或者是只能實(shí)現(xiàn)高縱深比的二維結(jié)構(gòu)。本文研究了利用飛秒激光制備聚合物模板然后通過微電鑄往模板結(jié)構(gòu)中填充金屬的方法來獲得金屬三維微結(jié)構(gòu)的技術(shù),由于飛秒激光微納加工的真三維加工能力,所以這種工藝能夠解決三維金屬結(jié)構(gòu)制備困難的問題。我們采用這種方法,成功制備了三維螺線管微電感,能夠有助于集成電路片上集成功能化器件的發(fā)展。
[Abstract]:In recent years , the related research and development of metal micro - nano structures has been very rapid , because it has a very important application prospect in the fields of optics , electricity and chemical sensing . In this paper , a method for preparing three - dimensional metal micro - structure has been successfully fabricated by using femtosecond laser processing template structure to prepare three - dimensional metal micro - structure .
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG665

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本文編號：2119887